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Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung bezieht sich auf Kommunikationssysteme, und insbesondere
auf Mechanismen zur Anpassung der Leistungssteuerungs-Schrittweite.
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Hintergrund
der Erfindung
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Bei
WCDMA (Wide Band Code Division Multiple Access) handelt es sich
um eine Modulations- und Vielfachzugriffstechnik, die auf einer
wohl bekannten Spreizspektrum-Theorie basiert, wobei die durch einen
Sender übertragenen
Daten in einen Frequenzbereich gespreizt werden und unter Verwendung
eines Codes identifiziert werden. Die Leistung des WCDMA- Systems
muss zur Durchsatzoptimierung gesteuert werden. Erstens sollten
alle durch Mobilstationen übertragenen
Leistungen unabhängig von
Mehrwegeausbreitung bei der Basisstation im Wesentlichen gleich
sein. Zweitens ist nur die für
eine zuverlässige
Datenübertragung
minimal notwendige Leistung für
den Basisstations-Sender erlaubt, so dass so viele Nutzer wie möglich die
gleiche Zelle teilen können
(das System ist interferenzbegrenzt).
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Die
grundlegende Leistungssteuerung im WCDMA-System basiert auf der
(SIR)-Schätzung. Wenn
ein empfangenes SIR (Störabstand
bzw. "Signal-to-Interference-Ratio") bei einem Empfänger zu niedrig
ist, wird ein Befehl zur Erhöhung
der Übertragungsleistung
um einen festen Schritt zum Sender übertragen. Wenn das empfangene
SIR zu hoch ist, wird ein Befehl zur Senkung der Übertragungsleistung
um einen festen Schritt übertragen.
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In
einem komplexeren WCDMA-System kann die Leistungssteuerung in drei
Teile unterteilt sein. Bei der Leistungssteuerung auf der Abwärtsstrecke,
von einer Basisstation zu einer Mobilstation, reduziert die Basisstation
beständig
ihre Ausgangsleistung, bis die Mobilstation mehr Leistung benötigt. Die
Gesamtleistung der Basisstation kann somit niedrig gehalten werden
und die Kapazität
einer Zelle kann maximiert werden, ohne andere Zellen zu stören.
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Die
Leistungssteuerung auf der Aufwärtsstrecke,
von einer Mobilstation zu einer Basisstation, besteht aus Leistungssteuerung
mit offenem Regelkreis bzw. "Open-Loop"-Leistungssteuerung
und Leistungssteuerung mit geschlossenem Regelkreis bzw. "Closed-Loop"-Leistungssteuerung. Bei der Open-Loop-Leistungssteuerung
schätzt
die Mobilstation eine Signaldämpfung
auf einem Funkkanal und passt darauf basierend ihre Ausgangsleistung
ungefähr
an. Eine Open-Loop-Leistungssteuerung
ist notwendig, um den Langzeit-Schwund zu kompensieren.
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Da
die Funkkanäle
in den Richtungen der Aufwärts-
und Abwärtsstrecke
bei verschiedenen Frequenzen sind, ist der Open-Loop-Schätzwert der Signaldämpfung in
der Richtung der Aufwärtsstrecke nicht
notwendigerweise genau. Bei der Closed-Loop-Leistungssteuerung misst
die Basisstation den relativen Leistungspegel von jedem Mobilstationssignal
und vergleicht ihn mit einem Grenzwert. Ein Leistungssteuerungsbefehl
wird beispielsweise in Intervallen von 1,25 ms zur Mobilstation
gesendet, gemäß dem die
Mobilstation die Übertragungsleistung
um einen vorbestimmten festen Schritt, beispielsweise 1,0 dB, erhöht oder
senkt.
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Das
Beibehalten einer konstanten Leistungssteuerungs-Schrittweite verursacht Probleme in
Situationen, in denen sich der Signal- oder der Interferenzpegel
gelegentlich, aber nicht beständig, ändert. Falls
eine Leistungssteuerung in einem Funksystem unter Verwendung einer
großen
festen Schrittweite durchgeführt
wird, wird eine starke Schwankung der verwendeten Leistung um den
gewünschten
Leistungspegel zu einem Problem. Falls die Schrittweite der Leistungssteuerung
klein ist, besteht die Gefahr, dass der Leistungssteuerungsalgorithmus
den raschen Änderungen
im SIR (Störabstand)
nicht folgen kann. Ein Leistungssteuerungsverfahren gemäß dem Stand
der Technik ist durch die
EP
1102416 A offenbart.
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Die
Erfinder haben festgestellt, dass die Leistung mit den Leistungssteuerungsverfahren
gemäß dem Stand
der Technik nicht optimal gesteuert werden kann, falls das Kommunikationsumfeld
nicht rein Gaußisch
ist, d.h. auch nicht Gauß'sche Störsignale
vorhanden sind. Zudem ist die Performanz der WCDMA-Funkverbindung
stark verschlechtert, wenn z.B. nicht Gauß'sche Impulsstörung vorhanden ist.
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Kurze Offenbarung
der Erfindung
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen neuen Mechanismus
zur Anpassung der Leistungssteuerung bei Vorliegen von nicht-Gauß'scher oder Impuls-Interferenz
bereitzustellen.
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Durch
ein Verfahren und ein Element, wie in den Ansprüchen 1 bzw. 5 beansprucht,
wird diese Aufgabe gelöst,
und es werden andere Vorteile, die die Erfindung bietet, erreicht.
Die bevorzugten Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen
offenbart.
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Die
Erfindung basiert auf dem Konzept der Bildung der Statistik der
Leistungsverteilung des empfangenen Signals vor dem Entspreizen
des empfangenen Signals und dem Anpassen der Leistungssteuerungs-Schrittweite
gemäß dieser
Statistik, vorzugsweise gemäß der Kurtosis
eines empfangenen Signals. Das heißt, dass die Leistungssteuerungs- (bzw. "Power Control", PC-) Schrittweite
derart gesteuert wird, dass sie sich an das Interferenzprofil anpasst.
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Ein
Vorteil des Verfahrens und der Vorrichtung der Erfindung ist, dass
sie das Verhältnis
der Anzahl von . Bitfehlern zur Gesamtanzahl von in einem gegebenen
Zeitintervall übertragenen
Bits, d.h. den sogenannten BER- (Bitfehlerrate bzw. "Bit-Error-Rate") Wert, verbessert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnung
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Im
Folgenden wird die Erfindung ausführlich anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
mit Bezug auf die beigefügte
Zeichnung beschrieben, in der
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1 ein Beispiel des Algorithmus
der Erfindung ist,
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2 eine Gauß-Verteilung
von Abtastwerten eines empfangenen Signals veranschaulicht, und
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3 eine Gauß-Verteilung
und Impulsverteilung veranschaulicht.
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Ausführliche
Beschreibung der Erfindung
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In
einem Umfeld, in dem nicht-Gauß'sche oder Impuls-Interferenz vorhanden
ist, wie beispielsweise in Kanälen
innerhalb von Gebäuden,
kann eine typische Leistungssteuerungs- (PC-) Schrittweite von 1
dB nicht in allen Fällen
akzeptabel sein. Die feste Schrittweite kann manchmal zu groß oder zu
klein sein. Diese Tatsachen haben zu einem Konzept der Erfindung
geführt,
bei der die Leistungssteuerungs-Schrittweite adaptiv unter Berücksichtigung der
umgebungsbedingten Situationen variiert wird. Umgebungsbedingte
Situationen können
als Situationen definiert sein, in denen zufällige und unvorhersagbare elektrische
Signale existieren, die durch natürliche Prozesse, sowohl innerhalb
als auch außerhalb
eines elektrischen Systems, produziert werden. Das heißt, dass
zusätzlich
zu Gauß'schen Störsignalen
Impulsstörung
vorhanden ist.
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Bei
dem Verfahren gemäß der Erfindung
basiert die Steuerung der Leistungssteuerungs-Schrittweite auf dem
Konzept der Bildung der Statistik des empfangenen Signals und dem
Anpassen der Leistungssteuerungs-Schrittweite gemäß dieser
Statistik und insbesondere der Kurtosis eines empfangenen breitbandigen
Signals. Die Anpassung kann vor dem Entspreizen des empfangenen
Signals durchgeführt werden.
Eine Implementierung des vorgeschlagenen Algorithmus ist in 1 gezeigt.
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In 1 misst ein Empfänger in
Schritt 1-2 die Leistung eines ankommenden Signals S1.
Messungen können
beispielsweise rahmenweise oder schlitzweise erfolgen. Da die Leistung
des empfangenen Signals typischerweise gemäß einer Statistik um den nominalen
Leistungswert variiert, wird vom empfangenen Signal in Schritt 1-4 eine
Statistik gebildet. 2 zeigt
graphisch, wie die gemessenen Leistungswerte unter bestimmten Leistungswerten
mit einer Gaußverteilung
statistisch verteilt sind. Die x-Achse repräsentiert empfangene Leistungswerte (Variable)
um den nominalen empfangenen Leistungswert Rx-Nominal. Die y-Achse repräsentiert
die Anzahl von Abtastwerten, die auf jeden Abtastwert fallen (die
Wahrscheinlichkeit P(x>x0),
die Wahrscheinlichkeit eines x-Werts). Die höchste Anzahl von Abtastwerten
haben den Nominalwert, und je mehr ein Leistungswert vom Nominalwert
abweicht, desto seltener tritt ein solcher Wert in den gemessenen
Abtastwerten auf.
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Nach
dem Erfassen der Leistungsverteilung des ankommenden Signals wird
in Schritt 1-6 die Kurtosis der Verteilung gemessen. Die
Kurtosis kann als die Breite der Verteilung wie in 2 gezeigt definiert sein. Da die Verteilung
symmetrisch ist, wird hier auch die Breite einer Hälfte einer
Verteilung (z.B. Varianz) als Kurtosis bezeichnet. Die Messung der Kurtosis
ist in 3 gezeigt.
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3 zeigt zwei Verteilungen
eines ankommenden Signals: eine Gauß-Verteilung 30 und
eine Impulsverteilung 31. Die Impulsverteilung 31 kann die
Gauß-Verteilung
und eine Komponente der Impulsverteilung aufweisen. Wie vorangehend
definiert ist die Kurtosis die Breite der Verteilung in Richtung der
x-Achse. In 3 ist die
Kurtosis der beiden Verteilungen von zwei verschiedenen Punkten
A und B auf der y-Achse genommen, was in der Kurtosis Ka und Kurtosis
Kb für
beide Verteilungen 30 und 31 resultiert. Typischerweise
sind die nahe am oberen Ende einer jeden dieser Verteilungen (z.B.
beim Punkt A) gemessenen Kurtosen nahe beieinander. Der Grund dafür ist, dass
die Kurtosen nahe dem Scheitel der Verteilungen klein oder schmal
sind. Wie auch aus der 3 ersichtlich
ist, erhöht
sich weiter unten die Differenz zwischen den Verteilungen. Das heißt, dass
in den gemessenen Abtastwerten einige Leistungswerte häufiger auftreten,
als sie es in einem Gauß'schen Fall sollten.
Infolge dessen ist die Form der statistischen Leistungsverteilung
gegenüber
der Gauß-Verteilung
deformiert.
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Die
Messungen können
wie folgt durchgeführt
werden. Erstens werden die beiden Kurtosen A und B als Varianzen
von der statistischen Leistungsverteilung genommen. Die Varianz
kann als die Abweichung eines Leistungswert-Punkts von der y-Rchse, d.h. vom Nominalwert,
definiert sein. Zweitens wird das Verhältnis der Varianzen dieser
beiden Kurtosen berechnet. Dieses Verhältnis der ankommenden Leistungsverteilung
wird dann mit dem Verhältnis
der Gauß'schen Leistungsverteilung
verglichen. Falls der Vergleich eine akzeptable Übereinstimmung mit der Gauß-Verteilung
zeigt, wird das Leistungsprofil des empfangenen Signals Rx als Gaußisch angenommen.
In diesem Fall kann die Leistungssteuerung wie in einem konventionellen
Fall fortfahren, d.h. durch Verwendung von beispielsweise einer
festen 1-dB-Schrittweite. Andererseits, falls das Leistungsprofil
eine geringe Übereinstimmung mit
der Gauß-Verteilung
zeigt, kann das Rx-Profil als impulsartig angenommen werden. In
diesem Fall kann das adaptive Schema eingeschaltet werden. Das adaptive
Schema kann auch bei einer Gauß-Verteilung
verwendet werden.
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In 3 sind nur zwei Kurtosen
gezeigt. Es ist offensichtlich, dass auch mehr Kurtosis-Messungen
erfolgen können,
um die Art des ankommenden Signals herauszufinden.
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In
Schritt
1-8 kann die Leistungssteuerungs-Schrittweite gemäß der Kurtosis
der Verteilung ausgewählt
und angepasst werden. Eine Möglichkeit, die
adaptive Schrittweite auszuwählen,
ist es, die nominale 1-dB-Schrittweite
durch das Varianzverhältnis der
beiden Abtastwerte A und B zu teilen. Dies ist in der folgenden
Gleichung gezeigt:
- wobei
- schritt_weite die berechnete Leistungssteuerungs-
- Schrittweite ist,
- σa die Varianz des Abtastwerts A ist, und
- σb die Varianz des Abtastwerts B ist.
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Eine
Alternative ist, die a priori Kenntnis der Schrittweite und Varianz
zu verwenden. In diesem Fall kann die Adaption trainiert werden,
um die optimale Schrittweite gemäß den vorherigen
Entscheidungen zu wählen.
Für diese
unterschiedliche Leistungssteuerung können Schrittweiten für verschiedene
Verteilungen im Voraus gespeichert werden. Auch in diesem Fall muss
angemerkt werden, dass das Verfahren nicht auf eine spezielle Schrittweite
begrenzt ist.
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In
Schritt 1-8 kann auch die Entscheidung gefällt werden,
ein konventionelles Verfahren zur Berechnung der Schrittweite zu
verwenden, oder Statistiken für
die Berechnung der Schrittweite zu verwenden. Schließlich kann
die Schrittweite in Schritt 1-10 zu Zwecken der Wiederverwendung
zwischengespeichert werden.
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Die
Erfindung kann beispielsweise mit der folgenden Anordnung simuliert
werden: Ein WCDMA-Nutzer mit der Mobilgeschwindigkeit von 3km/h, ein
Fußgänger-Gehweg-Kanalprofil und ein
WCDMA-Spreizfaktor für
Datenkanäle
von 64. Der Spreizfaktor beschreibt das Verhältnis zwischen der Chip-Rate
(= Anzahl von in einer Sekunde übertragenen
Chips, Bits des Codesignals) und der Symbolrate (= Anzahl der pro
Zeiteinheit übertragenen
Signalelemente des Leitungssignals).
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Die
Impulsstörung
kann derart generiert werden, dass Scheitelwerte mit einer zufälligen Standartabweichung
in einer zufälligen
Weise zum übertragenen
Tx-Signal hinzugefügt
werden können.
Auch eine Gauß'sche Störquelle
kann zum Signal hinzugefügt
werden. Um die Simulation noch realistischer zu machen, können Leistungssteuerbits
durch Fehler verfälscht
werden.
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Die
adaptive Schrittweite wird durch Teilen der nominalen 1-dB-Schrittweite
durch das Varianzverhältnis
der beiden Abtastwerte A und B berechnet. Die Kurtosis A wird von
den Punkten von 30 % der existierenden Abtastwerte gemessen, und
die Kurtosis B wird von den Punkten von 40 der existierenden Abtastwerte
gemessen.
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Anhand
der Simulation, die durch die vorangehend erwähnte Anordnung durchgeführt wird,
ist zu erkennen, dass Impulsstörung
die Performanz unabhängig
von der Größe des PC-Schritts
deutlich verschlechtert. Die beste Performanz wird erreicht, wenn
die Interferenz a priori exakt bekannt ist. Falls die Interferenz
nicht bekannt ist, kann sie geschätzt werden, und selbst in diesem
Fall ist die Performanz des vorgeschlagenen Verfahrens besser als
die Verwendung einer festen Schrittweite. Dies zeigt auf einfache
Weise das Potential und die Vorteile des adaptiven Schemas.
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Ein
Zweck der Leistungssteuerung ist es, die Übertragungsleistung auf den
niedrigsten möglichen Pegel
einzustellen, der noch eine akzeptable Kommunikationsverbindung
liefert. Dies wird durch die Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele
erreicht, wobei die Empfangsseite der Sendeseite anzeigen kann,
die Übertragungsleistung
wie vorangehend beschrieben zu erhöhen oder zu senken.
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Die
Erfindung ist dazu gedacht, die Weite von Leistungssteuerungs-Schritten
in einer intelligenten Weise basierend auf beispielsweise der gemessenen
Verteilung der Störamplitude
oder den früheren
Leistungssteuerungsbefehlen anzupassen. Dies ist sehr brauchbar
beim Vorhandensein von Impulsstörung,
z.B. in Fällen,
in denen der zentrale Grenzwertsatz nicht gültig ist, wie beispielsweise
in den Fällen,
in denen die Störsignale
hauptsächlich
von einer kleinen Anzahl von Nutzern mit hoher Datenrate oder von
nahen externen Impulsstörquellen,
wie beispielsweise dem bestehenden (und sich vom WCDMA unterscheidenden)
zellularen GSM(Global System for Mobile Communications) System kommen.
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Eine
adaptive Schrittweite führt
somit zu einer Performanzverbesserung, da die Erfindung die Performanzverschlechterung
des WCDMA reduziert. Der Grund dafür ist, dass die PC-Schrittweite
gemäß dem Interferenzsignal,
d.h. dem empfangenen Signal, eingestellt werden kann.
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Durch
die Verwendung einer bestimmten Implementierung der Erfindung in
einem WCDMA-System und der Annahme eines bestimmten Modells für die Impulsstörung kann
ein Performanzgewinn erzielt werden. Der vorgeschlagene Algorithmus
passt sich an das sich ändernde
Kommunikationsumfeld an, und führt
somit unter bestimmten Umständen,
wie beispielsweise in Situationen innerhalb von Gebäuden, zu
einem Performanzgewinn.
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Die
Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele verbessern
auch das BER als eine Funktion von Es/No, Energie pro Bit-zu-Störleistungsverhältnis. Des
weiteren kann der Algorithmus leicht durch Software implementiert
werden. Die Vorteile der Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele übertreffen
einen Nachteil der Erfindung: Die Berechnung von Statistiken.
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Es
ist für
einen Fachmann offensichtlich, dass mit fortschreitender Technologie
das erfinderische Konzept auf verschiedene Weise implementiert werden
kann. Die Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele sind nicht
auf die vorrangehend beschriebenen Beispiele beschränkt, sondern
können
im Rahmen der Patentansprüche
variieren.
