FI108975B - Opetusjakso digitaalisessa solukkopuhelinjärjestelmässä - Google Patents

Description

ί 108975

Opetusjakso digitaalisessa solukkopuhelinjärjestelmässä Träningssekvens i ett digitalt cellulärt radiotelefonsystem 5 Tämä keksintö koskee digitaalista solukkkorakenteista ra-diopuhelinjärjestelmää, jossa on ainakin yksi tukiasema ja useita tilaajalaitteita ja jossa tukiaseman ja tilaajalaitteen välisessä radiokanavassa lähetetään lähetyspurskeessa opetusjakso, jonka mukaan vastaanotin sovittaa kanavakorjai-10 men radiokanavaan.

Monet radiopuhelinjärjestelmän informaationsiirto-ongelmat johtuvat radiokanavalla olevista signaalin laatua heikentävistä aikavarianteista tai tilastollisista virhelähteistä.

15 Digitaalisen radiopuhelinjärjestelmän eräs etu analogiseen verrattuna on, että se voidaan suunnitella siten, että se monitoroi kanavaa ja adaptoituu sen muutoksiin. Mikä tahansa siirtokanava, olkoon se sitten siirtojohto tai radiokanava, vaikuttaa siirrettävän signaalin aaltomuodon amplitudiin, 20 taajuuteen tai vaiheeseen tuottaen siten symbolien bitti- pulssien joukossa keskinäisvaikutusta. Aseman ollessa liik-':· kuva, kuten autossa oleva radiopuhelin, muuttuvat kanavan ··· ominaisuudet lisäksi suuresti ajan suhteen. Tunnettu yleis- ratkaisu digitaalisissa solukkojärjestelmissä onkin käyttää ____: 25 adaptiivista kanavakorjausta. Se tarkoittaa sitä, että mita- taan jaksoittain tai jatkuvasti kanavan joitain häiriöomi-naisuuksia ja havaitut lähetettyihin pulsseihin tulleet häiriöt poistetaan vastaanotetun signaalin aaltomuodosta. Järjestelmä voi monitoroida kanavan laatua mittaamalla bitti-30 virhesuhdetta ja/tai muita parametreja, kuten signaalinvoi-makkuutta ja viivettä.

·.· · Solukkojärjestelmän tilaajalaitteella voidaan järjestelmästä riippuen tarkoittaa ns. liikkuvaa asemaa eli matkaviestintä, 35 jonka antennin ja tukiaseman antennin välillä on radiokana-T. va, tai sillä voidaan tarkoittaa puhelinta, joka on langal- ·' lisen yhteyden kautta liitetty kauempana olevaan lähe- : tin/vastaanottimeen, jonka antennin ja tukiaseman antennin 2 108975 välillä on radiokanava. Jäljempänä tekstissä viitataan lähinnä matkaviestimeen, mutta huomattakoon, että samat asiat pätevät myös jälkimmäisen määritelmän tilaajalaitteeseen.

Signaalivoimakkuus ja viive ovat sidoksissa signaalin 5 etenemisvälimatkaan tukiaseman ja liikkuvan aseman välillä.

Kuten on tunnettua, on digitaalisissa järjestelmissä aikaja-on (TDMA.) johdosta siirtonopeus korkea, joten radiotielle ominainen monitie-eteneminen näkyy vastaanotossa paitsi RF-signaalin verhokäyrän nopeana ns. Rayleigh-häipymänä myös 10 ilmaistujen bittien välisenä keskinäisvaikutuksena. Kes- kinäisvaikutuksen huomioon ottamiseksi on digitaalijärjes-telmissä signaalin etenemismallia laajennettu siten, että vastaanotettu signaali ei ole enää yksittäinen Rayleigh-häipynyt signaali vaan itsenäisesti Rayleigh-häipyvien ja eri-15 laisen viiveen omaavien signaalien summa.

Seuraavassa selostetaan keksinnön taustaa oheisten kaaviollisten kuvien avulla, joissa kuva 1 kuvaa vastaanotetun radiokanavan impulssivastetta 20 aikatasossa, ns. tappiesitys, kuva 2 on normaalipurske GSM-järjestelmässä, _*·* kuva 3 on tyypillinen opetusjakson rakenne, ··· kuva 4 esittää opetusjakson bittisekvenssejä GSM-järjes- telmässä ja 25 kuva 5 kuvaa joitakin esimerkkejä adaptiivisista sekvens-seistä.

Radiokanavan impulssivastetta voidaan kuvata aikatasossa kuvan 1 mukaisella tappiesityksellä. Siinä yksittäisen tapin 30 korkeus kuvaa Rayleigh-häipyneen signaalin keskimääräistä tehoa ja tapin sijainti siirtoviivettä. Tappien hajonta : ’.· riippuu käytetyistä tehotasoista ja ympäristöolosuhteista ja :: tappien häipymätaajuus riippuu liikkuvan aseman esim. auton nopeudesta. Eri järjestelmissä on määritelty joukko tällai-35 siä etenemismalleja kuvaamaan erilaisia ympäristöolosuhteita ja ajoneuvonopeuksia.

3 108975

Edellä esitetyn perusteella on selvää, että koska radiokanava vaihtelee nopeasti, on signaalin siirron radiokanavan yli aiheuttama ilmaistujen bittien keskinäisvaikutus korjattava mittaamalla kanavan impulssivaste ja sovittamalla vastaan-5 otin kanavan tappikuvioon. Tämä tehdään järjestelmissä tavallisesti siten, että tukiasema tai matkaviestin lähettää lähetyspurskeessaan tunnetun bittikuvion, ts. peräkkäisten bittien vakiopituisen sekvenssin. Tätä sekvenssiä kutsutaan opetusjaksoksi. Vastaanotin on aiemmin saanut koodatun tie-10 don siitä, millainen bittikuvio eli opetusjakso lähetetään.

Vastaanotin korreloi vastaanottamaansa opetusjaksoa muistista haetun koodattua tietoa vastaavan tunnetun opetusjakson kanssa. Korrelaation tuloksena saadaan estimaatti radiotiestä (viiveet) ja vastaanotin säätää kanavakorjaintaan niin, 15 että viivehajeet korjataan tietyltä pituudelta. Esim. GSM-järjestelmässä viivehajeet korjataan aina 16 μβάίη asti.

Esimerkiksi GSM-järjestelmän yksi TDMA-kehys käsittää kahdeksan aikaväliä. Signaali lähetetään purskeina, joista ku-20 vassa 2 on esitetty ns. normaalipurske. Se käsittää ensin kolme häntäbittiä, joiden jälkeen tulee 58 databittiä, jotka voivat sisältää siis dataa tai puhetta. Tämän jälkeen tulee ·;· opetusjakso, jonka pituus on 26 bittiä, sitten jälleen 58 databittiä ja lopuksi kolme häntäbittiä. Kehyksen aikavälien 25 välille jätetään suoja-aikaa 8.25 bitin keston verran. Kuten kuvasta havaitaan, sijaitsee opetusjakso purskeen keskellä [·.* yhtenäisenä sekvenssinä ja sen pituus on vakio 26 bittiä.

Opetusjaksoja on bittikuvioltaan 8 erilaista ja puhelimelle on lähetty ennalta tieto siitä, millaisen opetusjakson tu-30 kiasema lähettää.

; Opetusjakson ei tarvitse sijaita purskeen keskellä. Niinpä •V : esim. USA:ssa käytettävässä digitaalisessa radiopuhelinjär- jestelmässä kehys muodostuu kuudesta 162 symbolin mittaises-’···. 35 ta aikavälistä. Symboli voi sisältää 2 bittiä, kuten ko.

'järjestelmässä käytettävässä QPSK-moduloinnissa, tai vielä : useampia bittejä modulointimenetelmästä riippuen. Lähetysai- kavälillä tukiasemalta liikkuvalle asemalle lähetettävässä ! 4 108975 purskeessa on aina ensimmäisenä 14 symbolin (28 bitin) syn-kronointipurske, jota käytetään opetusjaksona. Huomattakoon, että opetusjakson pituus on vakio. Tässä järjestelmässä opetusjaksoja on 6 erilaista sekvenssiä.

5

Huomattakoon tässä, että opetusjakso lähetetään sekä tilaajalaitteelta tukiasemalle päin (Up Link) että tukiasemalta tilaajalaitteelle (Down Link). Opetusjaksojen symbolisek-venssien ei välttämättä tarvitse olla samoja molemmissa 10 suunnissa. Oli järjestelmä mikä tahansa, pyritään opetusjaksojen sekvenssit laatimaan sellaisiksi, että niillä on mahdollisimman hyvät autokorrelaatio-ominaisuudet eli autokor-relaatiofunktion keskellä olevan piikin molemmilla puolilla on riittävästi nollia. Tietty opetusjakso sopii tiettyyn 15 ympäristöön. Esimerkiksi kaupunkialueella on signaalin moni-tie- eteneminen vallitseva ja siten opetusjakson on oltava aivan toisenlainen kuin maaseudulla, jossa signaalin heijastumisia aiheuttavia esteitä on vähän. Tällä hetkellä käytössä olevissa järjestelmissä opetusjakson pituus on järjestel-20 mälle ominainen vakiopituus ja se on valittu ns. pahimman tapauksen mukaan, jolloin on varauduttu korjaamaan viiveha-jeet ajallisesti pitkältä etäisyydeltä ja oletettu, että ··· kanavan impulssivaste on monitappinen.

....: 25 Kuvassa 3 on esitetty tyypillinen opetusjakson rakenne. Esi-merkki on GSM-järjestelmästä. Opetusjakso käsittää referens-siosan, jonka molemmilla puolilla on lisäosa. Referenssiosan pituus on 16 bittiä ja kummankin lisäosan pituus on 5 bittiä. Opetusjakson muoto on tällöin 5+16+5. Kuvassa 4 on ku-30 vattu käytettyjen opetusjaksojen bittisekvenssit. Kuten edellä on sanottu, on sekvenssit valittu siten, että niillä • V on hyvät autokorrelaatio-ominaisuudet. Lisäosan pituus mää- : ' rää, kuinka pitkä impulssivaste ko. opetusjaksolla voidaan ;>X estimoida. Tällä opetusjaksolla voidaan estimoida viisitap- 35 pinen impulssivaste. GSM:ssä lisäosan pituus on valittu pahimman tapauksen mukaan eli kaikkialla verkossa käytetään ; muodoltaan samoja opetusjaksoja vaikka ei tarvitsisikaan es- : timoida kaikkia viittä tappia: jos viivehaje on pieni, kuten 5 108975 on asianlaita maastoltaan melko tasaisella maaseudulla, riittäisi vain muutaman tapin estimointi.

Lisäosan ei tarvitse olla referenssiosan molemmilla puolil-; 5 la, kuten GSM-järjestelmässä, vaan voi olla vain yksi lisä osa, joka sijaitsee ennen tai jälkeen referenssiosan. Käytännössä lisäosa muodostuu siten, että sen symboleiksi valitaan referenssiosan ensimmäiset ja/tai viimeiset symbolit.

10 Opetusjakson lisäosien ja referenssiosan pituudella on olennainen merkitys: mitä pidempi on referenssiosa (mitä enemmän bittejä tai symboleja), sitä parempi kanavaestimaatti saadaan, koska pitkää referenssiosaa käytettäessä kohina kes-kiarvoistuu eikä vääristä tulosta. Toisaalta, mitä pidempi 15 on lisäosa (symboleina tai bitteinä), sitä pidempiä viiveha-jeita voidaan mitata. Nyt on esim. GSM-järjestelmässä varauduttu hankalimman tapauksen mukaan asettamalla lisäosan pituudeksi 5 bittiä, jolloin voidaan estimoida 5-tappinen im-pulssivaste.

! 20

Referenssiosan ja lisäosan asettaminen kiinteänpituiseksi ··· tuo mukanaan eräitä haittoja. Jos monitie-eteneminen on vä- häistä eli kanavan impulssivaste on lyhyt, on tarpeetonta ,···, käyttää pitkää lisäosaa, ja sen sijaan olisi edullista käyt- 25 tää pitkää referenssiosaa, jolloin säätäisin nykyistä parem-.. . pi estimaatti radiokanavasta. Näin alueilla, joilla ei ole haitallisen paljon esteitä, saataisiin aikaan hyvä yhteyden * laatu myös pitkillä etäisyyksillä. Toisaalta alueilla, joil la monitie-eteneminen on vallitseva, olisi edullista käyttää 30 mahdollisimman pitkää lisäosaa, jolloin saataisiin monitap-pinen impulssivaste ja voidaan asettaa kanavakorjain korjaa-; maan viivehaje ajallisesti suurelta etäisyydeltä. Hyvissä olosuhteissa ei koko opetusjakson pituuden tarvitsisi olla kovin pitkä. Tällöin purskeessa vapautuisi kapasiteettia 35 siirtää enemmän puhe- tai datainformaatiota.

1 i * ! 6 108975

Keksinnön mukaisesti voidaan esitetyt haitat välttää käyttämällä solukkojärjestelmässä senkaltaista opetusjaksoa, joka on määritelty oheisissa patenttivaatimuksissa.

5 Keksintö perustuu siihen, että koska kanavan viivehaje vaih-telee merkittävästi paikasta toiseen, kannattaa opetusjaksosta tehdä mukautuva 1. adaptiivinen. Se voidaan tehdä ainakin kahdella tavalla: 10 Ensimmäisen suoritusmuodon mukaan opetusjakso voi olla kiin-teäpituinen, mutta lisäosan ja referenssiosan pituudet muuttuvat tilanteen mukaan. Tällöin kanavan impulssivasteen ollessa lyhyt, jolloin tarvittava lisäosa on myös lyhyt, tai kanavan signaali/kohinasuhteen huonontuessa voidaan refe-15 renssiosaa pidentää lisäosan kustannuksella, jolloin saadaan parempi estimaatti radiokanavasta. Vastaavasti jos solun alueella kanavan impulssivaste on pitkä tai se pitenee, pidennetään lisäosaa referenssiosan kustannuksella. Kiinteämittaisen opetusjakson etuna on se, että purske pysyy va-20 kiomittäisenä ja -muotoisena. Oletetaan, että opetusjakson pituus on vakio 30 symbolia. Jakso voisi olla muotoa 7+16+7 *:* (lisäosa+referenssiosa+lisäosa) silloin, kun kanavan impuls- · sivaste on pitkä. Tällä kuviolla voidaan estimoida maksimis- saan 7 tappia. Kanavan impulssivasteen ollessa lyhyempi ope- ____:25 tusjakso voisi olla muotoa 5+20+5 tai 3+24+3 tai jopa 1+28+1 ... riippuen tarvittavasta tappimäärästä. Kuvan 5 taulukossa on 'annettu lisää esimerkkejä adaptiivisista sekvensseistä. Taulukon vasemmalla puolelle oleva "esimerkkisekvenssi" on käytössä esim. silloin kun impulssivaste on pitkä ja taulukon 30 oikealla puolella oleva "adaptiivinen" sekvenssi voidaan lähettää silloin, kun impulssivaste on lyhyt, jolloin refe-renssiosan pituutta voidaan kasvattaa lisäosan kustannuksel-: : la ja saada parempi estimaatti kanavasta. Esitetyt binää- •’·' risekvenssit ovat vain esimerkinluonteisia.

35

Toisen suoritusmuodon mukaan opetusjakson kokonaispituus ei / ; ole vakio, vaan se vaihtelee. Tällöin tilanteissa, joissa impulssivaste on lyhyt tai se lyhenee ja saadaan hyvä kana- 7 108975 vaestimaatti lyhyellä lisäosalla, voidaan lisäosaa pienentää referenssiosan pysyessä samanpituisena. Opetusjakson pituus lyhenee, joten sen symboleja voidaan siirtää muuhun käyttöön, esim. käyttäjän puhe/data-siirtoon tai signalointida-5 tan siirtoon. Vastaavasti epäedullisissa tilanteissa, joissa kanavan impulssivaste on hyvin pitkä tai se pitenee, voidaan opetusjaksoa pidentää lisäosaa pidentämällä, jolloin pitkällä lisäosalla voidaan ottaa huomioon pitkä viivehaje. Mikäli kanavan impulssivasteessa ei tapahdu oleellisia muutoksia, 10 mutta kanavan signaali/kohina-suhde heikkenee, kasvatetaan referenssiosan pituutta, jolloin saadaan parempi estimaatti kanavasta ja signaali/kohina-suhde paranee. Vastaavasti sig-naali/kohina-suhteen parantuessa voidaan referenssiosaa lyhentää. Näissä kahdessa viimeksi sanotussa tapauksessa lisä-15 osan pituus ei muutu, mutta referenssiosan pituuden muuttuessa muuttuu opetusjakson kokonaispituus.

Tämä toisen suoritusmuodon mukainen opetusjakson kokonaispituuden vaihtelu voidaan toteuttaa tunnetuissa järjestelmissä 20 esim. muuttamalla sen aikavälin pituutta, jossa opetusjakso lähetetään, jolloin opetusjakson pituuden lisäys ei tapahdu ··· lähetyspurskeen muiden symbolien kustannuksella. Toinen to- teutus on se, että opetusjakso voidaan ulottaa purskeen da-··, takentän puhe/data-symboleille varatulle alueelle, mikäli ,,,.:25 siellä sillä hetkellä on tilaa. Myös käytetty modulaatio-;v< menetelmä vaikuttaa siihen, kuinka monta bittiä tietyssä symbolimäärässä voidaan lähettää, joten muutettaessa modu-’ ’ laatiomenetelmää vaikutetaan myös opetusjakson käytettävissä olevaan bittimäärään.

30

Kumpikin suoritusmuoto sisältää myös mahdollisuuden, että | opetusjakso voidaan lähettää vain silloin tällöin eikä joka kehyksessä. Tällöin opetusjakson symbolien lähettämisen si-·’·' jasta voidaan lähettää käyttäjäinformaatiota (puhe/data) tai .! 35 järjestelmädataa. Toinen suoritusmuoto mahdollistaa sen, ;·. että opetusjakso voidaan pienentää nollaan, jolloin sitä ei : ' lähetetä lainkaan.

108975 β

Adaptiivisen opetusjakson lähettämisessä voidaan menetellä useilla eri tavoilla. Ensinnäkin operaattori voi mitata solun ympäristön ja katsoa, minkälainen opetusjakso siihen sopii parhaiten ja käyttää sitä. Muodostettaessa yhteyttä 5 tukiaseman ja liikkuvan aseman välille lähettää tukiasema esim. jollain tunnetulla tavalla tiedon siitä, minkälainen opetusjakso on käytössä solun alueella. Liikkuva puhelin adaptoituu sitten tähän opetusjaksoon. Opetusjaksotieto voidaan myös jättää lähettämättä, jolloin liikkuva asema kokei-10 lee, minkälainen opetusjakso sopii parhaiten vastaanotettuun opetusjaksoon, ja käyttää sitten sitä. Sama opetusjakso on käytössä solun alueella. Toiseksi voidaan käyttää yhteyskohtaista opetusjaksoa. Se voidaan toteuttaa adaptiivisesti siten, että aivan yhteyden alussa käytetään pitkää opetus-15 jaksoa (pahimman tapauksen mukaista). Tukiasema muuttaa sitten opetusjaksoa muuttamallla referenssiosan pituutta, lisäosan pituutta, opetusjakson kokonaispituutta tai näiden yhdistelmiä. Tieto opetusjakson muutoksesta lähetetään liikkuvalle asemalle. Tukiasema valitsee näin parhaan opetusjakson 20 kyseiselle yhteydelle ja tästä eteenpäin käytetään sitten parasta opetusjaksoa. Käytännössä voidaan menetellä esim.

··- siten, että lisäosan sopiva pituus päätellään esim. tilaaja- laitteen mittaamasta kanavan impulssivasteesta. Kun opetus-··*, jakso lähetetään tukiasemalta tilaajalaitteelle, tilaajalai- ’”.25 te mittaa kanavan impulssivasteen. Jos se havaitsee, että ,, . lisäosa on tarpeettoman pitkä tai liian lyhyt, se lähettää ' » « siitä tiedon tukiasemalle, jolloin opetusjaksoa muutetaan ·' vastaavasti.

30 Esitetyn adaptiivisen opetusjakson tavoitteena on saada mah dollisimman hyvä kanavaestimaatti käytettävällä radioyh-teydellä, mutta keksintöä voidaan yhtä hyvin käyttää hyvän ·'· synkronoinnin saavuttamiseen, sillä liikkuvan aseman mahdol lisimman hyvin sovittautuessa kanavaan saavutetaan viiveha-35 jeen korjauksen ja oikean kanavaestimoinnin ohella myös hyvä ;·, synkronointi.

Claims (13)

108975

1. Digitaalinen solukkojärjestelmä, joka käsittää useita tukiasemia ja tilaajalaitteita ja jossa tukiaseman ja tilaajalaitteen välille on muodostettavissa radiokanava, jolla 5 lähetyspurskeeseen sisältyy symbolisekvenssiltään vastaanot timen tuntema opetusjakso, joka muodostuu referenssiosasta, jonka pituus vaikuttaa kanavan kohinaominaisuuksien estimoinnin tarkkuuteen, ja ainakin yhdestä lisäosasta, jonka pituus määrää, kuinka pitkä radiokanavan impulssivaste voi-10 daan mitata, jolloin vastaanotin sovittautuu käytettävään radiokanavaan mitatun impulssivasteen mukaisesti, tunnettu siitä, että opetusjakson lisäosan ja/tai referenssiosan pituutta vaihdellaan opetusjakson mukauttamiseksi radiokanavan vaihteleviin ominaisuuksiin. 15

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen solukkojärjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmässä opetusjakson kokonaispituus on vakio.

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen solukkojärjestelmä, tun- nettu siitä, että kun solun alueella kanavan impulssivaste on pitkä, pidennetään lisäosaa referenssiosan kustannuksel- ;;; ia. * · ·

4. Patenttivaatimuksen 2 mukainen solukkojärjestelmä, tun- : '.· nettu siitä, että kun kanavan impulssivaste on lyhyt tai ka-: navan signaali/kohina-suhde huononee, pidennetään referens- siosaa lisäosan kustannuksella.

5. Patenttivaatimuksen 1 mukainen solukkojärjestelmä, tun- nettu siitä, että opetusjakson kokonaispituus ei ole vakio. t

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen solukkojärjestelmä, tun- : nettu siitä, että opetusjakson kokonaispituutta kasvatetaan 35.·’ lisäosaa kasvattamalla kun kanavan impulssivaste pitenee.

7. Patenttivaatimuksen 5 mukainen solukkojärjestelmä, tunnettu siitä, että opetusjakson kokonaispituutta kasvatetaan 108975 referenssiosaa kasvattamalla kun signaali/kohina-suhde huononee .

8. Patenttivaatimuksen 5 mukainen solukkojärjestelmä, tun- 5 nettu siitä, että opetusjakson kokonaispituutta pienennetään lisäosaa pienentämällä kun kanavan impulssivaste lyhenee, jolloin tukiaseman ja liikkuvan aseman välisessä yhteydessä lähetyspurskeen informaatiobittien lukumäärää voidaan vastaavasti lisätä.

9. Patenttivaatimuksen 5 mukainen solukkojärjestelmä, tunnettu siitä, että opetusjakson kokonaispituutta pienennetään referenssiosaa pienentämällä kun kanavan signaali/kohina-suhde paranee, jolloin tukiaseman ja liikkuvan aseman väli- 15 sessä yhteydessä lähetyspurskeen informaatiobittien lukumää rää voidaan vastaavasti lisätä.

10. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen solukkojärjestelmä, tunnettu siitä, että samassa solussa 20 ovat opetusjaksojen lisäosat kullakin tukiaseman ja tilaa- jalaitteen välisellä radiokanavalla keskenään samanpituiset , ja vastaavasti referenssiosat samanpituiset.

11. Minkä tahansa edeltävän patenttivaatimuksen mukainen 25solukkojärjestelmä, tunnettu siitä, että sekä lisäosan pi- ! : ·' tuus että referenssiosan pituus on yhteyskohtainen.

12. Patenttivaatimuksen 1 mukainen solukkojärjestelmä, tunnettu siitä, että opetusjakso lähetetään harvemmin kuin jo- 30 kaisessa lähetyspurskeessa.

.·: 13. Patenttivaatimuksen 8 tai 9 mukainen solukkojärjestel mä, tunnettu siitä, että opetusjakson pituus on pienennetty : nollaksi, jolloin sitä ei lähetetä lainkaan. 108975