DE10108413A1 - Empfangsverfahren bei einem Mobiltelefon mit Mehrfachcodeempfang und Mobiltelefon - Google Patents

Empfangsverfahren bei einem Mobiltelefon mit Mehrfachcodeempfang und Mobiltelefon

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Abstract

Bei einem Empfangsverfahren eines Mobiltelefons, insbesondere mit einem RAKE-Empfänger, zum Mehrfachcodeempfang eines Signals soll der Aufwand reduziert werden. Hierfür werden die Codesummen (c0 + c1) und die Codedifferenzen (c0 - c1) empfangen und derart ausgewertet, dass sie von einem Schaltsignal (s) gesteuert abwechselnd mit einem Spreizfaktor (SF) zu Zwischensignalen (s'0 + 1; s'0 - 1) verarbeitet werden. Durch eine Kreuzoperation (Butterflyoperation) werden aus diesen Zwischensignalen die Nutzsignalsbits (s'0, s'1) zurückgewonnen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Empfangsverfahren bei einem Mobiltelefon, insbesondere mit einem RAKE-Empfänger, mit Mehrfachcodeempfang und ein hierfür geeignetes Mobil­ telefon.
Mobiltelefone mit Mehrfachcodeempfang (CDMA) arbeiten gewöhnlich mit einem RAKE-Empfänger. Bei diesem wird nicht nur das auf einer direkten Strecke empfangene Signal, sondern auch das über Umwege reflektierte Signal ausgewertet. Der physikalische Kanal zwischen der Sendestation und dem Mobiltelefon umfasst damit die Direktstrecke und Reflexionsstrecken. Dies erhöht den vom Mobiltelefon verarbeitbaren Teil der Sende­ leistung der Station. Um das direkt ankommende Nutzsignal und die über Reflexions­ strecken ankommenden Teile der Nutzsignale auszuwerten, sind im RAKE-Empfänger mehrere Verarbeitungsstrecken, sogenannte Finger (fingers) vorgesehen. In der Regel sind mehrere Finger für den physikalischen Sende-Empfangskanal vorgesehen. Ein solcher RAKE-Empfänger ist beispielsweise in der Dissertation Peter Schramm, Universität Erlangen-Nürnberg vom 17.04.1996, Shaker Verlag, Aachen 1996, beschrieben.
Es sind verschiedene Kodierungsverfahren bekannt. Beim hier interessierenden CDMA- Verfahren umfasst das digitalisierte Sendesignal mehrere Nutzersignale, die sich durch orthogonale Codes unterscheiden. Das CDMA (Code Division Multiple Access)-Ver­ fahren ist beispielsweise in dem Fachbuch Klußmann, Niels: Lexikon der Kommuni­ kations- und Informationstechnik, Heidelberg, Hüthig, 1997, 5.72 und 73 beschrieben. Beim CDMA-Verfahren wird ein schmalbandiges Signal mit einem der oben genannten Codes zu einem breitbandigen Signal um einen Spreizfaktor dadurch gespreizt, dass ein zu übertragender digitaler Datenstrom nicht als Folge der Bitwerte 0 und 1 übertragen wird, sondern die digitalen Nutzdatenwerte 0 und 1 durch eine Folge von N ebenfalls binären Symbolen, sogenannten Codechips oder Sub-Bits, repräsentiert werden. Die N-stellige Folge der Codechips für die 0 und die 1 ist dabei jeweils invertiert. Letztlich wird die gesamte Folge der Codechips übertragen.
Beim zur Einführung in die Praxis vorgesehenen UMTS (Universal Mobile Telecommuni­ cation System, vgl. das genannte Fachbuch, S. 495) ist vorgesehen, dass ein einziger Nutzer (Mobiltelefon) mehr als einen orthogonalen Code empfangen kann. Für alle diese Codes sind der gleiche Spreizfaktor und die gleiche relative Sendeleistung vorgeschrieben. Dementsprechend ist es naheliegend, im Mobiltelefon entsprechend der Anzahl der zu empfangenden orthogonalen Codes mehrere RAKE-Empfänger vorzusehen. Der Rechen­ aufwand und damit der Energieverbrauch sowie der Platzbedarf auf der integrierten Schaltung des Mobiltelefons würde sich also erheblich erhöhen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Empfangsverfahren und ein Mobiltelefon der eingangs genannten Art anzugeben, mit dem sich der Aufwand bei einer Zwei- oder Mehrfach­ kodierung des Mobiltelefons reduzieren lässt.
Erfindungsgemäß ist obige Aufgabe durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Lösung hat im wesentlichen folgende Vorteile:
  • a) Es ist nur ein RAKE-Empfänger pro Finger für den Empfang von jeweils zwei Codes nötig. Bei einer Version, bei der mit einem Zweifachcode übertragen wird, ist also ein RAKE-Empfänger pro Finger eingespart. Hat der RAKE-Empfänger beispielsweise sechs Finger, dann werden sechs RAKE-Empfänger eingespart.
  • b) Der nur eine RAKE-Empfänger muss nur weniger Operationen ausführen, wie dies die unten angegebene Tabelle zeigt. Insgesamt ist somit ein verringerter Stromverbrauch des Mobiltelefons und ein reduzierter Platzbedarf auf der integrierten Schaltung (Basisband­ schaltung) erreicht.
  • c) Die Verringerung der Komplexität führt zu keiner Leistungsverminderung des Mobil­ telefons.
Das beschriebene Verfahren kann nicht nur bei UMTS, sondern bei jedem CDMA- System - gleicher Spreizfaktor und gleiche relative Leistung der zu empfangenden Codes vorausgesetzt - eingesetzt werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Unteransprüchen. In der Zeichnung zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines naheliegenden Empfangsverfahrens bei zwei Codes mit RAKE-Empfänger, wobei nur ein Finger gezeigt ist,
Fig. 2 eine Prinzip-System-Darstellung des vorgeschlagenen Empfangsverfahrens, wobei nur ein Finger des RAKE-Empfängers dargestellt ist,
Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels, d. h. Implementierungsbeispiels, und
Fig. 4 ein Signaldiagramm zu Fig. 3.
Ein digital kodiertes Zweifach-Empfangssignal r(k) wird in einem RAKE-Empfänger 1 eines Mobiltelefons im CDMA-Verfahren sowohl mit einem Code c0 als auch mit einem zweiten Code c1 kodiert empfangen.
Bei dem Verfahrensschema nach Fig. 1 weist der Empfänger 1 einen Codegenerator 2 für wird über einen Multiplizierer 4 mit dem Code c0 und über einen Multiplizierer 5 mit dem Code c1 kodiert. Die Codegeneratoren 2 und 3 sind von derjenigen Sendestation gesteuert, die das Empfangssignal r(k) sendet. In einem Integrate-Dump-Filterblock G wird das eine mit dem Code c0 kodierte Signal im Codemultiplex-Verfahren (CDMA) mit dem Spreizfaktor SF verarbeitet. In einem Integrate-Dump-Filterblock 7 wird das andere, mit dem Code c1 kodierte Digitalsignal mit dem gleichen Spreizfaktor SF verarbeitet. Die Abtastrate (sampling rate) ist beispielsweise 3,84 MHz (UMTS) und beträgt nach der Verarbeitung im Filterblock G bzw. 7 3,84/SF MHz, also beispielsweise bei einem Spreiz­ faktor SF = 4 : 0,96 MHz.
In einem Combinerblock 8 wird das eine Ausgangssignal s0 gewonnen. In einem weiteren Combinerblock 9 wird das Ausgangssignal s1 gewonnen. Die hinzu kommenden Teil­ signale der anderen Finger des RAKE-Empfängers 1 sind strichliert angedeutet.
Beim Verfahrensschema nach Fig. 2 liegt der Code c0 des Codegenerators 2 an dem Multiplizierer 4, der das Empfangssignal r(k) je nach dem Wert von c0 mit +1 oder -1 multipliziert, und einem negierenden XOR-Gatter 10 (EXNOR). Am Gatter 10 liegt auch der Code c1 des Codegenerators 3. Das Ausgangssignal des Gatters 10 ist Schaltsignal s(k) für eine Umschaltfunktion 11 zwischen dem Multiplizierer 4 und dem Integrate-Dump- Filterblock G sowie dem Integrate-Dump-Filterblock 7. Die Filterblöcke G und 7 mitteln (Integration) über den halben Spreizfaktor SF, weil sie über das Schaltsignal s(k) jeweils nur die halbe Zeit wirksam sind, und geben das Ergebnis mit entsprechend niedriger Datenrate aus. Am Ausgang des Filterblocks G tritt das Zwischensignal s'0 + 1(n) auf, welches auf der addierten Code-Kombination c0 + c1 liegt. Am Ausgang des Filterblocks 7 tritt das Zwischensignal s'0 - 1(n) auf, welches auf der subtrahierten Code-Kombination c0 - c1 liegt.
Entsprechend der Bits, die auf den beiden Codes c0(k) und c1(k) auftreten, werden also die folgenden Kombinationen von Codes von der Basisstation gesendet, wobei sich folgendes Schaltsignal s(k) ergibt:
Das Zwischensignal, das auf c0 + c1 empfangen wird, ist s'0 + 1(n). Das Zwischensignal, das auf c0 - c1 empfangen wird, ist entsprechend s'0 - 1(n).
Beim konventionellen Verfahren (vgl. Fig. 1) werden zwar zwangsläufig auch die Code­ summen c0 + c1 und die Codedifferenzen c0 - c1 empfangen. Diese werden jedoch nicht genutzt, sondern sofort derart unterdrückt, dass die Codes c0 und c1 gewonnen werden.
Dagegen wird bei dem Verfahren nach den Fig. 2, 3, 4 die folgende Erkenntnis aus­ genutzt:
  • 1. Die Codesumme c0 + c1 hat je nach dem aktuellen Wert 0 und/oder 1 der Bits den Wert +/-2 oder den Wert 0, wobei der Wert 0 der Codesumme keinen Beitrag zum Nutz­ signal liefert. Deshalb kann und wird, wenn die Codesumme 0 ist, mittels des Schaltsignals s(k) vom Filterblock 6, der die Codesummen verarbeitet, auf den anderen Filterblock 7 umgeschaltet, der die Codedifferenzen verarbeitet.
  • 2. Entsprechendes gilt für die Codedifferenzen. Die Codedifferenz c0 - c1 hat je nach dem aktuellen Wert 0 und/oder 1 der Bits den Wert +/-2 oder den Wert 0, wobei der Wert 0 der Codedifferenzen ebenfalls keinen Beitrag zum Nutzsignal liefert. Deshalb kann und wird, wenn die Codedifferenz 0 ist, mittels des Schaltsignals s(k) vom Filterblock 7 auf den Filterblock 6 umgeschaltet.
Aus dieser Erkenntnis ergibt sich der Gewinn, den das Verfahren bringt.
Die ursprünglich mit dem Code c0 bzw. c1 gesendeten Bits, d. h. die Nutzsignale, lassen sich dann einfach durch die folgende Kreuzoperation (Butterflyoperation) im Kreuz­ operator 12 durch Addition und Subtraktion gewinnen:
(c0 + c1) + (c0 - c1) = c0
(c0 + c1) - (c0 - c1) = c1
An den Ausgängen des Kreuzoperators 12 stehen dann die auf den Code c0 bzw. den Code c1 bezogenen Bits bzw. Zwischensignale s'0(n) bzw. s'1(n) an. Diese Zwischensignale werden in dem jeweils zugeordneten Combinerblock 8 bzw. 9 zu den Ausgangssignalen s0 bzw. s1 zusammengesetzt, welche den jeweils auf dem Code c0 bzw. dem Code c1 von der Basisstation gesendeten Nutzsignalen entsprechen.
Beträgt die Chiprate am Multiplizierer 4 beispielsweise 3,84 MHz, dann beträgt die Durchschnittsrate bei den Filterblöcken 6,7 entsprechend der Umschaltung zwischen diesen die Hälfte, also 1,92 MHz. Entsprechend dem Spreizfaktor SF beträgt die Bitrate am Kreuzoperator 12 3,84/SF MHz, also bei SF = 4: 0,96 MHz.
Fig. 3 zeigt eine mögliche Implementierung für ein die Funktionsgruppen a und b (vgl. Fig. 2) umfassendes System, das die Umschaltfunktion 11, die Filterblöcke 6, 7 und den Kreuzoperator 12 umfasst.
In dem Signaldiagramm der Fig. 4 sind charakteristische Signalabläufe dargestellt.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist eine Steuerlogik 13 vorgesehen. Dieser arbeitet mit mehreren Eingangstakten, nämlich folgenden:
CLK_SMP: Abtasttakt (15.36 MHz)
CLK_CHP: Chiptakt (3.84 MHz)
CLK_BIT: Bittakt (3.84 MHz/SF, wobei
SF = 4, 8, 16, 32, 64, 128, 256 oder 512).
In Fig. 4 ist SF = 4 angenommen.
Ein weiteres Eingangssignal ist das oben genannte Schaltsignal s(k).
Alle getakteten Blöcke werden als positiv flankengetriggert angenommen.
Die Steuerlogik 13 leitet daraus interne Hilfstakte ab:
CLK_CHP_0 = CLK_CHP
CLK_CHP_1 = CLK_CHP um eine Periode von CLK_SMP verzögert
CLK_BIT_0 = CLK_BIT
CLK_BIT_1 = CLK_BIT um eine Periode von CLK_SMP beschleunigt
CLK_BIT_2 = CLK_BIT um zwei Perioden von CLK_SMP beschleunigt.
Desweiteren wird ein Kontrollsignal MODE erzeugt, wobei
MODE = 0 bedeutet, dass die Eingangswerte für s(k) = 1 integriert werden;
MODE = 1 bedeutet, dass die Eingangswerte für s(k) = 0 integriert werden;
MODE = 2 bedeutet, dass die Ergebnisse der beiden Integrationen addiert werden (Butterfly-Addition);
MODE = 3 bedeutet, dass die Ergebnisse der beiden Integrationen subtrahiert werden (Butterfly-Subtraktion).
MODE 0 und 1 werden während der Integration gesetzt. MODE 2 wird während der dritten Periode von CLK_SMP innerhalb des letzten Chips des aktuellen Symbols gesetzt. MODE 3 wird während der vierten Periode von CLK_SMP gesetzt.
Ein Block I_REG ist das Eingangsregister des Systems. Bei einer positiven Flanke des Chiptakts wird der entsprechende neue Eingangswert in dieses Eingangsregister über­ nommen.
Ein Block MUX_A ist ein Multiplexer, der abhängig von MODE Register REG_A, REG_B auf einen Eingang des Addierers AD durchschaltet. Für MODE = 0 und 1 wird der Eingangswert durchgeschaltet; für MODE = 2 und 3 wird dagegen das aus dem Register REG_A bzw. REG_B stammende Ergebnis der Integration für c0(k) + c1(k) durchgeschaltet.
Das Register REG_A ist direkt mit dem Ausgang des Addierers AD verbunden. Das Register wird mit der positiven Flanke des Bittakts zurückgesetzt (Eingang CLR). Mit der steigenden Flanke von CLK_CHP_1 wird das Ergebnis der Addition in REG_A über­ nommen, wenn MODE = 0 gilt.
Das Register REG_B ist direkt mit dem Ausgang des Addierers AD verbunden. Das Register wird mit der positiven Flanke des Bittakts zurückgesetzt (Eingang CLR). Mit der steigenden Flanke von CLK_CHP_1 wird das Ergebnis der Addition in REG_B über­ nommen, wenn MODE = 1 gilt.
Ein weiteres Register REG_C ist direkt mit dem Ausgang des Addierers AD verbunden. Mit der steigenden Flanke von CLK_BIT_1 wird das Ergebnis der Addition in REG_C übernommen. Der Wert in REG_C ist dann das auf Code c0(k) empfangene Signal und kann mit der nächsten Flanke von CLK_BIT übernommen werden.
Ein weiteres Register REG_D ist direkt mit dem Ausgang des Addierers AD verbunden. Mit der steigenden Flanke von CLK_BIT_2 wird das Ergebnis der Addition in REG_D übernommen. Der Wert in REG_D ist dann das auf Code c1(k) empfangene Signal und kann mit der nächsten Flanke von CLK_BIT übernommen werden.
Ein Block NEGATE ist eine bedingte Negierung des Inhalts von Register REG_B. Die Negation wird ausgeführt, wenn MODE = 3 gewählt ist, d. h. wenn die Subtraktion der integrierten Werte ausgeführt werden soll (Butterfly-Operation).
Ein Block MUX_B ist ein Multiplexer, der abhängig von MODE die Register REG_A oder REG_B auf den Eingang des Addierers durchschaltet. Für MODE = 0 wird REG_A durchgeschaltet; für alle anderen Werte von MODE wird REG_B durchgeschaltet.
Der prinzipielle Verfahrensablauf bei der Schaltung nach Fig. 3 (vgl. Fig. 4) ist beispiels­ weise folgender:
Beginnend (Zeitpunkt t1) mit dem aktuellen Bit (positive Flanke von CLK_BIT) werden die Eingangswerte mit Beginn eines Chips (positive Flanke von CLK_CHP) in das Ein­ gangsregister übernommen. Dabei ist 1 Chip: 1 bit/SF. Mit Beginn des aktuellen Symbols werden die Register REG_A und REG_B auf 0 gesetzt. Abhängig von s(k) werden die jeweiligen Eingangswerte bei der nächsten positiven Flanke von CLK_SMP auf REG_A oder auf REG_B addiert (Zeitpunkt t2 bis t8).
Zwischen den Zeitpunkten t1 und t5 liegt MODE = 0 vor. Zum Zeitpunkt t2 wird das erste Chip auf das Register REG_A addiert. Zum Zeitpunkt t3 wird das zweite Chip übernommen und zum Zeitpunkt t4 auf das Register REG_A addiert.
Zwischen den Zeitpunkten t5 und t7 liegt MODE = 1 vor. Zum Zeitpunkt t5 wird das dritte Chip übernommen und zum Zeitpunkt t6 auf das Register REG_B addiert. Zum Zeitpunkt t7 wird das vierte Chip übernommen und unter MODE = 0 zum Zeitpunkt t8 auf das Register REG_A addiert.
Nach der Addition des letzten Eingangswerts des aktuellen Bits werden zunächst die beiden Teilergebnisse aus REG_A und REG_B bei der nächsten positiven Flanke zum Zeitpunkt t9 von CLK_SMP addiert (MODE = 2) und nach REG_C geschrieben. Danach werden die beiden Teilergebnisse bei der nächsten positiven Flanke subtrahiert (Zeitpunkt t10) und nach REG_D geschrieben.
Bei UMTS werden komplexwertige Symbole nach Realteil und Imaginärteil getrennt von der Basisstation auf das Mobiltelefon übertragen. Jedes Symbol entspricht somit jeweils zwei Bitfolgen (QPSK).
Die besonderen Vorteile der oben anhand der Fig. 2, 3 und 4 beschriebenen Verfahren sind folgende:
Es ist im Gegensatz zur Standardimplementierung nach Fig. 1 nur ein Addierer AD anstelle von zwei Addierern nötig. Je Finger des RAKE-Empfängers wird also ein Addierer gespart. Da jeder RAKE-Empfänger mehrere Finger pro zu empfangenden Code hat, lassen sich im RAKE-Empfänger insgesamt viele Addierer einsparen.
Der eine Addierer AD führt trotzdem noch deutlich weniger Operationen aus als bei der Standardimplementierung. Bereits für zwei parallele Kanäle lassen sich im günstigsten Fall beinahe 8 Millionen Additionen pro Sekunde einsparen, was einen deutlich geringeren Stromverbrauch des Mobiltelefons zur Folge hat.
Oben ist beispielsweise davon ausgegangen, dass das Mobiltelefon zwei Codes c0 und c1 verarbeiten soll. Sollen von dem Mobiltelefon drei oder mehr Codes verarbeitbar sein, dann ist im Mobiltelefon je ein RAKE-Empfänger für zwei Codes in der oben beschrie­ benen Weise vorgesehen. Sollen beispielsweise vier Codes verarbeitet werden, dann sind hierfür zwei RAKE-Empfänger nötig.
Die folgende Tabelle zeigt die prozentuale Einsparung von Operationen bei M Codes und verschiedenen Spreizfaktoren SF:
Beispielsweise ist der Tabelle zu entnehmen, dass sich bei zwei Codes und dem Spreizfaktor 4 eine Einsparung von 25% ergibt.

Claims (8)

1. Empfangsverfahren bei einem Mobiltelefon, insbesondere mit einem RAKE-Empfänger, zum Mehrfachcodeempfang eines Nutzsignals, dadurch gekennzeichnet,
dass die Codesummen (c0, c1) und die Codedifferenzen (c0 - c1) empfangen und derart ausgewertet werden, dass sie von einem Schaltsignal (s) gesteuert abwechselnd mit einem Spreizfaktor (SF) zu Zwischensignalen (s'0 + 1; s'0 - 1) verarbeitet werden und
dass durch eine Kreuzoperation aus den Zwischensignalen die Nutzsignalbits (s'0; s' 1) zurückgewonnen werden.
2. Empfangsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verarbeitung der Codesummen und der Codedifferenzen im Codemultiplex- Verfahren (CDMA) erfolgt.
3. Empfangsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kreuzoperation eine Addition und eine Subtraktion (Butterflyoperation) ist.
4. Empfangsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsignal (s) aus den Codes (c0, c1) über eine negierende XOR-Funktion gewonnen wird.
5. Empfangsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die Nutzsignalbits enthaltende Empfangssignal (r) mit dem einen Code (c0) multipliziert wird und über eine vom Schaltsignal (s) gesteuerte Umschaltfunktion integriert und entspreizt werden.
6. Empfangsverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei drei oder mehr Codes je ein RAKE-Empfänger für je zwei Codes vorgesehen ist.
7. Mobiltelefon mit einer Empfangseinrichtung zur Durchführung des Empfangsverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung die empfangenen Codesummen (c0 + c1) und die empfangenen Codedifferenzen (c0 - c1) zu Zwischensignalen verarbeitet und mittels eines Kreuzoperators (12) die Nutzsignalbits gewinnt.
8. Mobiltelefon nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung eine Steuerlogik (13) aufweist, an die mehrere Eingangstakte (CLK_SMP, CLI_CHP, CLK_BIT) gelegt sind, und die daraus Hilfstakte (CLK_CHP_0, CLK_CHP_1, CLK_BIT_0, CLK_BIT_1, CLK_BIT_2) und ein Kontrollsignal (MODE) erzeugt, und dass die Empfangseinrichtung ein Eingangsregister (I_REG), Multiplexer (MUX_A, MUX_B), einen Addierer (AD) und weitere Register (REG_A bis REG_D) aufweist, wobei die Hilfstakte das Eingangsregister (I_REG) und die weiteren Register takten und das Kontrollsignal (MODE) die Multiplexer (MUX_A, MUX_B) steuert und wobei am Addierer (AD) die Multiplexer (MUX_A, MUX_B) liegen und der Addierer (AD) die weiteren Register (REG_A bis REG_D) lädt.
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