DE69938546T2 - Universales Mobiltelefonsystem Netzwerk (UMTS) mit verbessertem Verfahren für Ratenanpassung - Google Patents

Universales Mobiltelefonsystem Netzwerk (UMTS) mit verbessertem Verfahren für Ratenanpassung Download PDF

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Description

  • Diese Erfindung betrifft ein Universelles Mobiltelefonsystem(UMTS)-Netz und insbesondere ein Verfahren zum Berechnen der Anzahl von zu punktierenden oder zu wiederholenden Bits, um eine effektive Ratenanpassung zu erreichen.
  • In einem UMTS-System wird die Technik des Zeitmultiplexierens verwendet, um verschiedene von einem einzelnen Nutzer gewünschte Dienste zu kombinieren. Die Dienste haben unterschiedliche Dienstqualitäts(QoS)-Anforderungen, wie zum Beispiel die Signalleistung mit Bezug auf Rausch- und Interferenzleistung und Latenzbeschränkungen, die verschiedene Sendeleistungsanforderungen zur Folge haben. Die Sendeleistung muss deshalb so eingestellt werden, dass in jedem Sendekanal die QoS für den Dienst, der die höchsten Anforderungen stellt, aufrecht erhalten wird, aber gleichzeitig die Sendeleistung minimiert wird.
  • Um dies zu erreichen und auch die Symboldatenrate an die Datenrate des physischen Kanals anzupassen, wird das Verfahren der Ratenanpassung verwendet, d. h. einige Bits werden punktiert oder wiederholt. Das Prinzip der Ratenanpassung wird von der Firma Ericsson in der Schrift "Description of Rate Matching in UTRA/FDD", TDoc SMG2 UMTS L1 235/98, und von der Firma Nokia in der Schrift "Mapping Rule for semi static rate matching", TDoc SMG2 UMTS L1 476/98, beschrieben. Die Publikation von Nokia schlägt auch ein Verfahren zum Ableiten der Anzahl von zu punktierenden oder zu wiederholenden Bits zum Erreichen der erforderlichen QoS für zwei verschiedene Dienste durch Interpolationsverfahren vor. Jedoch kann Interpolation nicht auf mehr als zwei Dienste angewendet werden, was eine erhebliche Einschränkung für das Netz darstellt, und außerdem ist der Algorithmus komplex.
  • Gemäß der Erfindung ist in einem UMTS-Netz, in dem mehrere Dienste von einem einzelner Nutzer mit verschiedenen Sendeleistungsanforderungen in einem einzelnen Kanal multiplexiert werden und die Technik der Ratenanpassung angewendet wird, ein Verfahren zum Bestimmen – für jeden Dienst – der Anzahl der zu punktierenden oder zu wiederholenden Bits durch folgende Schritte gekennzeichnet:
    Ableiten – für jeden Dienst – der Energie je Bit je Rauschdichte EB/N0, die benötigt wird, um eine gewünschte Bitfehlerrate zu erreichen;
    für jede EB/N0 Ableiten eines Wertes der Energie je codiertem Symbol je Rauschdichte ES/N0;
    Erhalten – für jeden Dienst – der Anzahl von Datenbits, die durch die Datenrate gegeben ist;
    Auswählen – für jeden Dienst – eines Spreizfaktors SF unter Verwendung der Anzahl von Datenbits;
    Ableiten der halb-statischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi, wobei
    Figure 00020001
    und NRj die Anzahl von Codesymbolen nach der halb-statischen Ratenanpassung ist,
    NSj die Anzahl von Codesymbolen vor der Ratenanpassung ist,
    und G(SRFi) die Codierverstärkung ist, die dem Grad der halb-statischen Ratenanpassung zugeordnet ist,
    Berechnen des Ratenanpassungsfaktors RFi für jeden Dienst anhand des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors SRFi und eines dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF; und
    Berechnen der Anzahl von zu punktierenden oder zu wiederholenden Bits anhand des Ratenanpassungsfaktors RFi.
  • Die Erfindung wird nun lediglich beispielhaft unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen Folgendes dargestellt ist:
  • 1 ist eine schematische Ansicht eines UMTS-Netzes auf Netz-Ebene.
  • 2 zeigt die herkömmlichen Schritte beim UMTS-Transportkanal-Multiplexieren für die Aufwärtsstrecke.
  • 3 zeigt die Ratenanpassungsverstärkung.
  • 4 zeigt die wichtigsten Schritte in einem ersten Beispiel eines Verfahrens gemäß der Erfindung.
  • 5 zeigt eine Beziehung zwischen Kanalcodierung und Ratenanpassung in einem zweiten Beispiel eines Verfahrens.
  • In 1 weist ein UMTS-Netz 10 eine Anzahl von Mobiltelefonnutzern 12, 14, die jeweils mit einer Basisstation BTS bzw. einem Knoten B 16 verbunden werden können. Die BTS 16 ist über eine Basisstationssteuerung BSC 18 in einer Funknetzsteuerung (RNC) 20 mit einer Mobilvermittlungssteuerung (MSC) 21 in dem UMTS-Kernnetz (CN) 22 verbunden. Das CN 22 bietet Verbindungen zu dem öffentlichen Fernsprechwählnetz PSTN 24, dem digitalen Netz mit integrierten Diensten ISDN 26 und dem Internet 28.
  • Das Funkzugangsnetz (RAN) weist die Mobiltelefonnutzer 12, 14 und die BTS 16 auf. Zum Multiplexieren von Signalen in dem RAN in der Aufwärtsstreckenrichtung (von dem Mobiltelefon 12, 14 zu der BTS 16) wird die Anordnung von 2 verwendet; die Schritte werden in dem entsprechenden Mobiltelefon 12 oder 14 ausgeführt. 2 zeigt ein Transportkanal-Multiplexieren für die Aufwärtsstrecke und ist dem Standard TS 25.212 V1.1.0 (1999-06) entnommen.
  • In 2 sind die Schritte zum Codieren von Diensten mit identischen QoS-Anforderungen in dem Kasten 30 gezeigt, und identische Schritte zum Codieren eines Satzes verschiedener Diensten werden in dem Kasten 31 ausgeführt (die Schritte sind nicht gezeigt). Die Schritte weisen zyklische Redundanzcodierungs(CRC)-Schritte 40 für identische Dienste (aber in dieser Erfindung wird ein einzelner Dienst bei Schritt 40 in Betracht gezogen), einen ersten Multiplexierungsschritt 41, einen Kanalcodierungsschritt 42, einen ersten Verschachtelungsschritt 43, einen Funkframesegmentierungsschritt 44 und einen Ratenanpassungsschritt 45 auf.
  • Der äquivalente Ratenanpassungsschritt 55 ist in dem Kasten 31 gezeigt.
  • Die Ausgänge der zwei Kästen 30, 31 werden in einem zweiten Multiplexierungsschritt 60 kombiniert, gefolgt von einem Schritt 61 zur physischen Kanal-Segmentierung, einem zweiten Verschachtelungsschritt 62 und einem Schritt 63 zur physischen Kanal-Abbildung. Die Ausgänge werden dann in jeweilige dedizierte physische Datenkanäle DPDCH 64 eingespeist.
  • Die umgekehrten Schritte werden für das Aufwärtsstrecken-Demultiplexieren in der BTS 16 ausgeführt.
  • Dieser gesamte Ablauf existiert auch in der Abwärtsstreckerichtung, d. h. von der BTS 16 zu einem Mobiltelefon 12 oder 14.
  • Obgleich die Ratenanpassungsschritte 45, 55 als separat angedeutet sind, stehen sie in Wirklichkeit miteinander in Beziehung, weil die Ratenanpassung auf den relativen QoS-Anforderungen verschiedener Dienst-Sätze basiert und weil der Kanal in der Lage sein muss, den kombinierten Ratenanpassungsausgang aller Dienste zu unterstützen, und diese Beziehung ist bei 56 abgedeutet. Aber die Beziehung ist, wie oben angesprochen, früher lediglich für die Ratenanpassung von zwei Diensten durch Interpolation spezifiziert worden.
  • Durch Anwenden des Verfahrens der Erfindung kann eine Ratenanpassung von mehr als zwei verschiedenen Diensten erreicht werden.
  • In den Ratenanpassungsschritten 45, 55 wird ein Satz Punktierungs- oder Wiederholungsfaktoren auf der Grundlage der Anforderungen bestimmt, dass:
    • a) die gewünschten Übertragungsqualitätsanforderungen jedes Transportkanals erfüllt werden und nicht beträchtlich überschritten werden. Das bedeutet, dass die erforderliche Sendeleistung zum Erfüllen der Qualitätsanforderungen für alle Transportkanäle so gering wie möglich ist.
    • b) auf der Aufwärtsstrecke die Gesamtbitrate nach der Transportkanal-Multiplexierung mit der Gesamtkanalbitrate der zugewiesenen dedizierten physischen Kanäle identisch ist.
    • c) auf der Aufwärtsstrecke und der Abwärtsstrecke die zugewiesene Gesamtcoderessource zu minimieren ist.
    • d) die Punktierungsfaktoren einen bestimmten maximalen Punktierungsfaktor, der für jeden Transportkanal spezifisch ist, nicht überschreiten.
  • In dem derzeitigen UMTS-Konzept sind zwei Typen von Ratenanpassung spezifiziert:
    • (i) Halb-statische Ratenanpassung: Diese wird zum Ausgleichen der Sendeleistungsanforderungen verschiedener Dienste verwendet, die zu einem einzelnen gemeinsamen Verbundverkehrskanal (CCTrCH) multiplexiert werden. Man nennt diese Funktion auch "ES/NO-Ausgleich" – das Ausgleichen des Verhältnisses von Symbolenergie zu Rauschdichte. Weil die Elemente, die zum Dienst-Multiplexieren gehören, durch die Funkressourcensteuerungs(RRC)-Schicht entschieden werden, wird diese Bitübertragungsschichtfunktion durch die RRC über den halb-statischen Teil des TFCI gesteuert.
    • (ii) Dynamische Ratenanpassung: Dies wird in der Aufwärtsstrecke verwendet, um die Symboldatenrate an die Datenrate des CCTrCH anzupassen, um eine kontinuierliche Übertragung zu wahren. Es ist eine autonome Funktion der Bitübertragungsschicht. Die dynamische Ratenanpassung wird mittels diskontinuierlicher Übertragung (DTX) auf der Abwärtsstrecke ausgeführt.
  • In einem einzelnen Kanal müssen mehrere Dienste (wie durch die Kästen 30, 31 angedeutet) multiplexiert werden, die verschiedene Bitraten und verschiedene Codierungstypen haben; zum Beispiel ein Video mit niedriger Rate, das mit 144 kbps und Turbo-Codierung arbeitet; ein Sprachdienst mit 13 kbps, der Faltungscodierung verwendet, zuzüglich Zeichengabeinformationen, die ebenfalls Faltungscodierung verwenden.
  • Jeder Dienst hat eine QoS-Anforderung, und ein wichtiger Teil dieser Anforderung ist die Energie je Bit je Rauschdichte EB/N0, die benötigt wird, um die gewünschte Bitfehlerrate BER zu erreichen. Die EB/N0 für einen Dienst gilt nur für spezifische Messbedingungen, wie zum Beispiel die Umgebung (Fußgänger, in geschlossenen Räumen, in Fahrzeugen usw.), den Grad und den Typ der Codierung (Turbo, herkömmlich), den Grad der Bitübertragungsschichtsteuerungszeichengabe (Verwaltungsdaten des dedizierten physischen Steuerkanals DPCCH) und den Spreizfaktor. Herkömmlicherweise wurden die Anforderungen durch Simulation oder durch Messung eines Dienstes in einer konkreten Umgebung berechnet.
  • Wenn Dienste mit verschiedenen EB/N0-Anforderungen zu multiplexieren sind, so können bestimmte Unterschiede durch Vergleichen von EB/N0-Anforderungen eingestellt werden. Zum Beispiel besteht der DPCCH nur aus Steuersymbolen, Leistungssteuerungs- und Transportformatkombinationsindikator(TFCI)-Symbolen, wobei die erforderliche Energiemenge relativ unabhängig von dem Dienst und nur von der Umgebung abhängig ist. Außerdem verwenden die meisten UMTS-Dienste Rate 1/3-Codierungsschemas mit ähnlichen Mengen an Verwaltungsdaten, wie zum Beispiel Tail-Bits. Die Leistungsjustierung ist darum relativ einfach.
  • Andere Unterschiede lassen sich nicht aus EB/N0-Werten ableiten. Wenn zum Beispiel Dienste multiplexiert werden, so verwendet der codierte Verbundtransportkanal CCTrCH einen Spreizfaktor, der sich von dem Spreizfaktor unterscheidet, den jeder Dienst individuell verwenden würde, und die Variationen können breit sein. Ein Sprachdienst verwendet normalerweise einen Spreizfaktor von 128 und könnte auf einen CCTrCH abgebildet werden, der einen Spreizfaktor von 4 verwendet, wenn er zusammen mit anderen Diensten versendet wird.
  • Das Verfahren der Erfindung löst dieses Problem.
  • In der Erfindung wird eine Nachschlagetabelle von EB/N0 erstellt. EB/N0 ist als Energie je codiertem Signal im Verhältnis zur Rauschdichte ausgedrückt, d. h. ES/N0. Es ist anzumerken, dass EB/N0 nicht die Bit-Energie ist, wenn die Daten uncodiert sind, sondern die äquivalente Energie je Bit ist, wenn ein bestimmtes Codierungsschema, ein bestimmter Spreizfaktor und eine bestimmte Umgebung angenommen werden. Darum gibt es für jeden Wert von EB/N0 einen eindeutigen Wert ES/N0, der in diesem Kontext nicht die die DPCCH-Verwaltungsdaten enthält.
  • Unter Verwendung des ES/N0-Wertes für jeden Dienst I, (ES/N0)i, kann ein erforderlicher Grad von halb-statischer Ratenanpassung berechnet werden. Da es unmöglich ist, dass die ES/N0 für den CCTrCH den Wert (ES/N0)I erfüllt, wird eine Ratenanpassung benötigt, so dass jeder Dienst seinen gewünschte (ES/N0)i erreicht.
  • Die ES/N0 für den CCTrCH wird als E'S/N0 eingestellt, was wahrscheinlich gleich der ES/N0 für einen der zugehörigen Dienste ist. Alle anderen Dienste sind darum gezwungen, eine halb-statische Ratenanpassung zu verwenden. In einigen Situationen ist die E'S/N0 jedoch nicht gleich der ES/N0 für einen zugehörigen Dienst. In diesem Fall müssen alle Dienste Ratenanpassung verwenden. Die Beziehung zwischen (ES/N0)n und E'S/N0 ist gegeben durch:
    Figure 00080001
  • Um mit E'S/N0 erfüllt werden zu können, muss der Dienst einen halb-statischen Ratenanpassungsfaktor, SRFi, von
    Figure 00090001
    verwenden, wobei NRj die Anzahl von codierten Symbolen nach der halb-statischen Ratenanpassung ist,
    NSj die Anzahl von Codesymbolen vor der Ratenanpassung ist,
    und G(SRFi), in 3 veranschaulicht, die Codierungsverstärkung ist, die dem Grad der halb-statischen Ratenanpassung zugeordnet ist.
  • Somit muss jeder Dienst i einen halb-statischen Anpassungsfaktor SRFi verwenden.
  • Im Allgemeinen kann davon ausgegangen werden, dass das Einstellen der Energie durch Hinzufügen zusätzlicher Symbole äquivalent dem Einstellen der ES/N0 ist. Wenn also SRFi auf größer als –1 dB begrenzt ist, so ist G(SRFi) gleich 1 (0 dB). Jedoch ändert eine Punktierung das verwendet Codierungsschema, was zu einem Verlust führt, der größer als die Verringerung der Energie ist. Überdies kann eine Wiederholung zu einer zusätzlichen Zeitdiversität führen, wodurch eine Codierungsverstärkung über den Energieanstieg hinaus erzeugt wird. Das Wiederholen einiger der Bits in einem Transportblock ist möglicherweise nicht äquivalent der Erhöhung der Energie aller Bits. Und schließlich hängt die durch die Wiederholung erreichte Verstärkung von dem implementierten Kombinierungsverfahren ab.
  • Eine weitere Anforderung ist, dass der halb-statisch ratenangepasste Transportblock (beim Verlassen des Kastens 30 oder des Kastens 31 in 2) in einen physischen Kanal mit Bits je Frame NFrame passen muss. Einmal ist der Frame 10 Millisekunden und enthält NS Symbolbits, wobei
    Figure 00090002
    wobei m = 1 für Einzelcodeübertragung und m größer als 1 für Mehrcodeübertragung, d. h. wo mehr als ein einziger DPDCH einem einzelnen CCTrCH zugeordnet ist, wie in dem Verfahren gemäß der Erfindung.
  • In der Aufwärtsstrecke ist die Anzahl von Datenbits Ndata eines einzelnen DPDCH in einem Zeitschlitz (0,625 ms) einfach durch Ndata = 10·2k, k = 0 ... 6, gegeben. In der Abwärtsstrecke ist es aufgrund des Zeitmultiplex von DPDCH und DPCCH durch Ndata = 20·2k – Npilot – NTPC – NTFCI, k = 0 ... 6, gegeben. Der Spreizfaktor des zugehörigen DPCH in der Aufwärtsstrecke und der Abwärtsstrecke ist SF = 256/2k, so dass er von 256 bis hinab zu 4 reichen kann. Der Ratenanpassungsfaktor RFi ist durch das Produkt des dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF und des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors SRFi durch RFi = DRF·SRFi gegeben. Der dynamische Ratenanpassungsfaktor DRF ist für alle multiplexierten Dienste gleich, aber der halb-statische Ratenanpassungsfaktor SRFi hängt vom Dienst ab. Zwei Grundbedingungen müssen durch das Ratenanpassungsprinzip erfüllt werden:
    Figure 00100001
    wobei E''S/N0 der ES/N0-Sollpunkt für den CCTrCH ist (über die dynamische Ratenanpassung erreicht jeder Dienst sein individuelles Ziel von (ES/N0)i),
    und n die Anzahl der Dienste ist, die in den CCTrCH multiplexiert werden.
  • In der Abwärtsstrecke ist DRF auf 1 eingestellt. Es wird eine diskontinuierliche Übertragung (DTX) anstelle von dynamischer Ratenanpassung verwendet. DTX bedeutet, dass, wenn Nframe > Ntotal, die Differenz in der Anzahl von Bits einfach nicht übertragen wird. Darum ist Ntotal einfach die Summe aller NRi, wie es für die halb-statische Ratenanpassung definiert ist. Darum ist im Allgemeinen E''S/N0 = E'S/N0 in die Abwärtsstrecke. Wenn jedoch Ntotal nur geringfügig größer als Nframe ist, so ist es möglich, DRF auf zwischen 0,8 und 1,0 einzustellen, wodurch eine Punktierung anstelle von DTX zum Justieren der CCTrCH-Rate verwendet wird. Dieses Verfahren vermeidet die Verwendung des nächst-niedrigeren Spreizfaktors und den daraus resultierenden hohen Wiederholungsgrad.
  • In der Aufwärtsstrecke muss Nframe gleich Ntotal sein, da DTX nicht verwendet werden kann. Darum wird DRF durch die Gleichungen 2 und 3 definiert, sowie durch: Nframe = Ntotal.
  • 4 zeigt fünf wichtige Schritte des Verfahrens gemäß der Erfindung. Wie angedeutet, werden die Schritte 1, 2 und 3 in der BSC ausgeführt (Bezugszahl 18 in 2), während die Schritte 4 und 5 in der BTS 16 und in den Mobiltelefonen 12, 14 ausgeführt werden.
  • Schritt 1: In Schritt 1 sind die Eingangswerte in den Ratenanpassungsalgorithmus die Werte (ES/N0)i, die für jeden konkreten Dienst bestimmt werden, und die Anzahl von Datenbits, die explizit durch die Datenrate NSi gegeben ist.
  • Schritt 2: Während dieses Schrittes werden die Ratenanpassungsfaktoren, SRFi und DRFi, berechnet (Gleichungen 1 und 3). Zuerst wird eine anfängliche Spreizfaktor(SF)-Schätzung auf der Grundlage gewählt, dass
    Figure 00110001
    Unter Verwendung dieser anfänglichen Schätzung für SF wird der Satz (ES/N0)i anhand der Nachschlagetabelle für die relevante Umgebung und den relevanten Grad an Codierung ermittelt. Ntotal wird berechnet. Wenn Nframe < 0,8·Ntotal, so ist der Wert von SF zu groß, und Schritt 2 wird erneut ausgeführt, wobei der neue Wert für den Spreizfaktor von SFnew = SF/2 verwendet wird.
  • Schritt 3: Die Ergebnisse aus dem RRC-Teil des Algorithmus sind die halb-statischen Ratenanpassungsfaktoren für jeden DCH, die ein Element des halb-statischen Teils des TFCI sind, und die Spreizfaktoren für jede Dienstkombination, die ein Teil des dynamischen Teils des TFCI sein können. Der TFCI wird verwendet, um die Bitübertragungsschicht sowohl der Mobiltelefone 12, 14 als auch des Knotens B 16 darüber zu informieren, welcher physische Übertragungsparameter gewählt wurde.
  • Schritt 4: Dies ist der erste Schritt des Ausführungsteils des Ratenanpassungsalgorithmus'. Es wird nur der TFCI benötigt, um alle anderen Parameter für die Ratenanpassung abzuleiten. Der dynamische Ratenanpassungsfaktor ist automatisch dadurch gegeben, dass der halb-statische Ratenanpassungsfaktor für eine bestimmte Dienstkombination bekannt ist. Ein Beispiel findet sich in der Schrift von Mitsubishi Electric und Siemens: "Determination of Rate Matching Parameters for Service Multiplexing", Tdoc 3GPP TSG-RAN WG1 710/99. Nun wird der Ratenanpassungsfaktor für jeden Dienst durch RFi = DRF·SRFi berechnet. Anhand dessen ist die Anzahl punktierter/wiederholter Bits einfach NRMi = (RFi – 1)·Ncodi.
  • Schritt 5: Der letzte Schritt führt eine Punktierung/Wiederholung der Bits unter Verwendung des Wertes von NRmi aus. Es können verschiedene Techniken angewendet werden, und ein Beispiel findet sich in der Schrift von Philips: "Service Multiplexing", TDoc SMG2 UMTS L1 229/98.
  • Vorteile des Verfahrens gemäß der Erfindung sind, dass die letzte Berechnung der Anzahl von zu wiederholenden oder zu punktierenden Bits und die Punktierung oder Wiederholung selbst in der Bitübertragungsschicht in einer autonomen Anordnung ausgeführt werden; dass die halb-statische Ratenanpassung explizit gegeben ist; und dass das Verfahren einen Spreizfaktor für jede Dienstkombination zur Verwendung durch den dynamischen Teil des TFCI ableitet. Die letzten beiden Vorteile stehen im Gegensatz zu dem Vorschlag der Firma Nokia (siehe die oben genannte Verweisquelle), in dem die TFCI-Elemente nicht explizit gegeben sind, sondern separat von der Anzahl von Bits berechnet werden müssen.
  • Insgesamt führt das Verfahren der Erfindung zu einer beträchtlichen Verringerung der gesendeten Leistung und darum zu einer Verbesserung der Gesamtsystemkapazität.
  • Beispiel
  • In dem folgenden Beispiel werden drei Dienste für einen Nutzer in einem Fahrzeug multiplexiert. In der Abwärtsstrecke wird ein Spreizfaktor von 4 gewählt, was zu einer CCTrCH-Rate von 512 ksps führt. Die Dienste sind folgende:
    Video mit niedriger Rate von 144 kbps, unter Verwendung von Turbo-Codierung, so dass ES/N0 = 5 dB sein muss.
  • Sprache mit 13 kbps, unter Verwendung von Faltungscodierung, so dass ES/N0 = 8 dB sein muss.
  • Zeichengabeinformationen, unter Verwendung von Faltungscodierung, so dass ES/N0 = 9 dB sein muss.
  • E'S/N0 = 5 dB, so dass die Ratenanpassung, die durch jeden Dienst benötigt wird, um die gewünschte (ES/N0)i zu erreichen, folgende ist:
    Video: 0 dB
    Sprache: 3 dB
    Zeichengabe: 4 dB.
  • Dies ist in Tabelle 1 unter der Ratenanpassungszeile gezeigt. Es gibt keine dynamische Ratenanpassung. Es wird eine diskontinuierliche Übertragung verwendet, um Tframe und Ttotal anzupassen Tabelle 1. Multiplexierungsbeispiel: Abwärtsstrecke.
    Kombinierter Dienst Sprache, Video mit niedriger Rate + Zeichengabe
    Zugehörige Dienste Sprache Video mit niedriger Rate Zeichengabe
    Transportblockgröße 320 320 80
    Sendeintervall und erste Verschachtelerdauer (ms) 20 10 10
    Anzahl von Transportblöcken/Frame 1 5 1
    Anzahl von Bits/Sendeintervall 320 1600 80
    Hinzufügen von CRC 336 1680 96
    Codierungsintervall (ms) 20 10 10
    Anzahl von Bits/Codierungsintervall 336 1680 96
    Hinzufügen von Tail-Bits/Trellis-Terminierung 344 1692 104
    Faltungscodierung 1032 312
    Turbo-Codierung 5076
    Ratenanpassungsfaktor, dB (–20% = –1 dB) 3,01 0,00 3,98
    Ratenanpassung/Sendeintervall 1032 0 468
    Hinzufügen eines DTX-Hinweises/Sendeintervall 2096 12 1780
    Erste Verschachtelergröße 4160 5088 2560
    Verschachtelerprüfung: mod (1. VS/32) 0 0 0
    Zweite Verschachtelerdauer (ms) 10
    Zweite Verschachtelergröße 9728
    Anzahl der physischen Kanäle 1
    Steuerbits/Schlitz 16
    TFCI-Bits je Schlitz 8
    TPC-Bits/Schlitz 8
    Gesamt-DPCCH-Feld/Frame 512
    Gesamt-Bits/physischer Kanal-Frame 10240
    Physische Kanal-Rate (ksps) 512
  • In der Aufwärtsstrecke wurde ein Spreizfaktor von 4 gewählt, was eine CCTrCH-Rate von 1024 ksps zur Folge hatte. Die Dienste sind definiert durch:
    Video mit niedriger Rate von 144 kbps, unter Verwendung von Turbo-Codierung, so dass ES/N0 = 4 dB sein muss.
  • Sprache 13 mit kbps, unter Verwendung von Faltungscodierung, so dass ES/N0 = 7 dB sein muss.
  • Zeichengabeinformationen, unter Verwendung von Faltungscodierung, so dass ES/N0 = 8 dB sein muss.
  • Wenn E'S/N0 = 4 dB, so ist die Ratenanpassung, die durch jeden Dienst benötigt wird, um die gewünschte (ES/N0)i zu erreichen:
    Video: 0 dB; Sprache: 3 dB; Zeichengabe: 4 dB.
  • Dies ist in Tabelle 2 unter der Ratenanpassungszeile gezeigt. Außerdem wird eine dynamische Ratenanpassung verwendet, um Tframe und Ttotal anzupassen, was eine weitere Verstärkung infolge von Wiederholung von 1,7 dB zur Folge hat. Darum ist E''S/N0 = E'S/N0 – 1,7 = 2,3 dB.
  • Die Anzahl variiert in den Tabellen 1 und 2 geringfügig, um eine Anzahl von Bits zu erreichen, die sich mit einer realistischen Verschachtelergröße vertragen. Die Verschachtelergrößen müssen durch die Anzahl der Schlitze teilbar sein. Tabelle 2. Multiplexierungsbeispiel: Aufwärtsstrecke.
    Kombinierter Dienst Sprache, Video mit niedriger Rate + Zeichengabe
    Zugehörige Dienste Sprache Video mit niedriger Rate Zeichengabe
    Transportblockgröße 320 320 80
    Sendeintervall und erste Verschachtelerdauer (ms) 20 10 10
    Anzahl von Transportblöcken/Frame 1 5 1
    Anzahl von Bits/Sendeintervall 320 1600 80
    Hinzufügen von CRC 336 1680 96
    Codierungsintervall (ms) 20 10 10
    Anzahl von Bits/Codierungsintervall 336 1680 96
    Hinzufügen von Tail-Bits/Trellis-Terminierung 344 1692 104
    Faltungscodierung 1032 312
    Turbo-Codierung 5076
    Stopfen 24 12 8
    Erste Verschachtelergröße 1056 5088 320
    VS-Prüfung: mod (1. VS je Frame/16) 0 0 0
    Ratenanpassungsfaktor, dB (–20% = –1 dB) 4,75 1,69 5,76
    Ratenanpassung/Sendeintervall 2052 2414 864
    Segmentierungsprüfung: mod (Sendeintervall/Frame) 0 0 0
    Zweite Verschachtelerdauer (ms) 10
    Zweite Verschachtelergröße 10240
    Anzahl der physischen Kanäle 1
    DPDCH-Größe/Frame 10240
    Physische Kanal-Rate (ksps) 1024
    FBI-Bits/Schlitz 0
    Steuerbits/Schlitz 6
    TFCI-Bits je Schlitz 2
    TPC-Bits/Schlitz 2
    DPCCH-Größe/Frame 160
  • Zweites Verfahren
  • In einer alternativen Herangehensweise an die Kanalcodierung und Ratenanpassung, die benötigt wird, um mehrere Dienste zu multiplexieren, wird die in 5 gezeigte Anordnung verwendet. In einer kleinen Abwandlung im Vergleich zu 4 sind die Eingänge bei Schritt 1 in der BSC 18 Werte von Eb/N0 für jeden Dienst und die Anzahl von Bits in einem einzelnen Zeit-Frame, Nbiti; Die aktuelle Datenrate ist RB = Nbiti·10 ms.
  • (EB/N0)i zeigt eine QoS des Dienstes i an, die durch die BSC 18 verwaltet wird. Nach dem Kanalcodierungsschritt, der für den Dienst i spezifisch ist und durch den Codierungsfaktor (die Codierungsverstärkung) CFi beschrieben wird, ist die Anzahl der codierten Bits Ncodi = Nbiti·CFi.
  • Dieser Wert ist die Eingabe in einen Ratenanpassungsschritt, dessen Ergebnis (ES/N0)i, die QoS nach der Codierung und Ratenanpassung und die Anzahl der Symbole NSi = Ncodi·RFi ist.
  • Dieses zweite Verfahren hängt von folgender Annahme ab:
    Figure 00170001
  • Gleichung (4) kann unter Verwendung des Codierungsfaktors CFi und des Ratenanpassungsfaktors RFi umgeschrieben werden (vgl. Gleichung (5)). Die Anzahl von wiederholten/punktierten Bits ist einfach durch NRMi = NSi – Ncodi = (RFi – 1)·Ncodi gegeben. In Abhängigkeit vom Ratenanpassungsfaktor RFi gibt es drei Möglichkeiten:
    • – Wiederholung: RFi > 1, d. h. NSi > Ncodi, NRMi > 0
    • – Punktierung: RFi < 1, d. h. NSi < Ncodi, NRMi < 0
    • – Keine Ratenanpassung: RFi = 1, d. h. NSi = Ncodi, NRMi = 0
  • Die lineare Approximierung in Gleichung (4) ist nur gültig, wenn die Punktierung ein bestimmtes Verhältnis nicht überschreitet. Derzeit gibt es in ETSI die Arbeitsannahme, dass die Punktierung 20% nicht übersteigen sollte, d. h. RFi ≥ 0,8! Der Ratenanpassungsfaktor RFi ist durch das Produkt des dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF und des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors SRFi, durch RFi = DRF·SRFi, gegeben. Der dynamische Ratenanpassungsfaktor DRF ist für alle multiplexierten Dienste gleich, und der halb-statische Ratenanpassungsfaktor SRFi hängt von dem Dienst ab. Zwei Grundbedingungen müssen durch das Ratenanpassungsprinzip erfüllt werden:
    Figure 00180001
  • Die Anzahl von Symbolbits in einem einzelnen Zeit-Frame (10 ms) wird durch
    Figure 00180002
    abgeleitet. Der Wert von m > 1 für Mehrcodeübertragung verwendet, d. h. einem einzelnen CCTrCH wird mehr als ein einziger DPDCH zugewiesen. Einzelcodeübertragung wird durch m = 1 beschrieben. In der Aufwärtsstrecke ist die Anzahl von Datenbits Ndata eines einzelnen DPDCH in einem Zeitschlitz (0,625 ms) einfach durch Ndata = 10·2k, k = 0 ... 6, gegeben. In der Abwärtsstrecke ist sie infolge des Zeitmultiplex von DPDCH und DPCCH durch Ndata = 20·2k – Npilot – NTPC – NTFCI, k = 0 ... 6, gegeben. Der Spreizfaktor des zugehörigen DPCH in der Aufwärtsstrecke und der Abwärtsstrecke ist SF = 256/2k, so dass er von 256 bis hinab zu 4 reichen kann.
  • Mit dieser Herangehensweise, und noch einmal unter Bezug auf 4, ist Schritt 2 nach den geringfügig anderen Eingaben in Schritt 1, wie oben erläutert, insofern anders, als dass die Ratenanpassungsfaktoren folgendermaßen berechnet werden:
    Schritt 2: Zuerst wird die folgende Transformation ausgeführt (vgl. Gleichung 4): (Ecod/N0)i = (ES/N0)i/CFi. Dann wird ein Dienst i = i0 mit bestimmten (Ecod/N0)i0-Anforderungen als Referenz gewählt, der einen halb-statischen Ratenanpassungsfaktor SRFi0 = 1 hat. Davon können alle halb-statischen Ratenanpassungsfaktoren für die übrigen Dienste durch SRFi = (Ecod/N0)i0/(Ecod/N0)i, i ≠ i0, abgeleitet werden. Solche Faktoren hängen nicht von den augenblicklich verwendeten Datenraten ab; sie sind eine Funktion der EB/N0-Anforderung und des Codierungsverfahrens. Somit sind sie Teil des halb-statischen Teils des TFCI.
  • Als nächstes wird jede Dienstkombination berücksichtigt. Der Spreizfaktor SF, der explizit durch die Anzahl von Symbolbits NS gegeben ist, muss für jede Kombination von Datenbits Nbiti gemäß
    Figure 00190001
    gewählt werden (vgl. Gleichung (6), DRFmin = RFmin/SRFmin, RFmin = 0,8). Weil NS und darum SF von der momentan verwendeten Datenrate abhängen, kann der Spreizfaktor SF ein Element des dynamischen Teils des TFCI sein.
  • Schritt 3 ist identisch mit dem, der in dem ersten Verfahren gemäß der Erfindung ausgeführt wurde.
  • Schritt 4: Der dynamische Ratenanpassungsfaktor ist automatisch für eine bestimmte Dienstkombination durch
    Figure 00200001
    gegeben. Hinweis: Nbiti ist ein Element des dynamischen Teils des TFCI (Transportblock-Sollgröße), NS ist durch SF gegeben, und CFi stammt aus dem verwendeten Codierungsschema. Nun wird der Ratenanpassungsfaktor für jeden Dienst durch RFi = DRF·SRFi berechnet. Daraus ist die Anzahl punktierter/wiederholter Bits einfach NRMi = (RFi – 1)·Ncodi
  • Schritt 5 ist mit dem vom ersten Verfahren identisch.
  • Beispiel 2
  • In dem folgenden Beispiel des zweiten Verfahrens wird eine Kombination von 2 Diensten mit den folgenden Parametern angenommen:
    • DCH1: LCD-Datendienst mit EB/N0 = 5 dB, 1/3-Faltungscodierung + 8/9 Reed-Solomon (zum Beispiel Video)
    • DCH2: UDD-Datendienst mit EB/N0 = 3 dB, 1/3-Faltungscodierung (zum Beispiel Paketdaten)
  • Die folgenden drei Dienstkombinationen sind zulässig: {DCH1, DCH2} = {144/32, 64/64, 64/32} kBit/s. In Tabelle 3 ist das Ergebnis für die halb-statische Ratenanpassung gezeigt. Zur Veranschaulichung sind die Werte logarithmisch in dB angegeben. Tabelle 3. Bestimmung des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors
    DCH1: LDD-Dienst DCH2: UDD-Dienst Anmerkungen
    EB/N0 5 dB 3 dB
    Codierungsfaktor 5,2827 dB (27/8) 4,7712 dB (3/1) CFdB = 10 log10 (CF)
    Ecod/N0 –0,2827 dB –1,7712 dB ΔEcod/N0 = 1,4885 dB
    SRFi 1,4088 1 SRF = 10(ΔEcod/N0)/10
  • In diesem Beispiel wurde der Dienst mit der höchsten Anforderung an Ecod/N0 als Referenz gewählt. Es ist zu erkennen, dass mit dem vorgeschlagenen Ratenanpassungsalgorithmus mindestens dieser Dienst keine halb-statische Ratenanpassung benötigt. Tabelle 4 zeigt die Ergebnisse für den dynamischen Teil der Ratenanpassung für die verschiedenen angenommenen Dienstkombinationen und die berechnete Anzahl von Bits. Tabelle 4. Dynamische Ratenanpassung für verschiedene Dienstkombinationen
    DCH1: LDD-Dienst DCH2: UDD-Dienst Anmerkungen
    144/32 Nbiti 1440 336 (16 Bit MAC) TB-Sollgröße
    Ncodi 4860 1008 NS = 10240, SF = 4, DRF = 1,3037
    Nsixteenths 8926 1314
    ES/N0 –2,9230 –2,9230 ΔES/N0 = 0,222 dB
    ES/N0 ohne RM –2,7008 –4,1893
    64/64 Nbiti 640 772 (32 Bit MAC) TB-Sollgröße
    Ncodi 2160 2016 NS = 5120, SF = 8, DRF = 1,0121
    Nsixteenths 3080 2040
    ES/N0 –1,8234 –1,8234 ΔES/N0 = 0,6556 dB
    ES/N0 ohne RM –1,1678 –2,6563
    64/32 Nbiti 640 336 (16 Bit MAC) TB-Sollgröße
    Ncodi 2160 1008 NS = 5120, SF = 8, DRF = 1,2639
    Nsixteenths 3846 1274
    ES/N0 –2,7883 –2,7883 ΔES/N0 = 0,4208 dB
    ES/N0 ohne RM –2,3675 –3,8560
  • Die Anzahl von Datenbits für den LDD-Dienst ist einfach durch seine Datenrate gegeben, d. h. NbitLDD = RbitLDD·10 ms. Für den UDD-Dienst wird ein zusätzlicher MAC-Kopf zum Beispiel für Adressierungszwecke von 16 Bits angenommen, d. h. NbitUDD = RbitUDD·10 ms + 16 Bit. In dem Beispiel sind diese Bitzahlen gleich der Transportblock-Sollgröße. Weil die Aufwärtsstrecke in Betracht gezogen wird, ist die Anzahl der verfügbaren Symbolbits einfach durch NS = 40960/SF gegeben. Der Wert von ΔES/N0 beschreibt die Verbesserung von ES/N0 durch Verwendung des vorgeschlagenen Ratenanpassungsverfahrens im Vergleich zu dem Fall, wo es weggelassen wird. Die Beschreibung der spezifizierten Dienstkombinationen ist folgendermaßen:
    • – LDD144/UDD32: Die Summe aller codierten Datenbits, die eine halb-statische Ratenanpassung enthalten, ist
      Figure 00220001
      DRFmin = 0,8 (SRFmin = 1). Die nächst-niedrige Symbolrate wäre NS = 5120, d. h. SF = 8. Gemäß Gleichung 6 wäre ein DRF < 0,8 erforderlich. Darum wird der nächst-höhere SF = 4 mit NS = 10240 gewählt. Die anderen Ergebnisse sind Tabelle 4 zu entnehmen. Unter Verwendung dieser Konstellation kann eine Verbesserung von ES/N0 von ΔES/N0 = 0,222 dB erreicht werden. Da die Sendeleistung direkt zu ES/N0 in Beziehung steht, führt dies auch zu einer Verringerung der Sendeleistung von 0,222 dB.
    • – LDD64/UDD64: Hier ist
      Figure 00220002
      Darum wird SF = 8 mit NS = 5120 gewählt. Für diese Dienstkombination kann eine Verbesserung von ΔES/N0 = 0,6556 dB erreicht.
    • – LDD64/UDD32: Für die als letztes untersuchte Dienstkombination ist
      Figure 00220003
      Wie im vorherigen Fall wird SF = 8 mit NS = 5120 gewählt. Die Verbesserung ist nun ΔES/N0 = 0,4208 dB.
  • Das zweite Beispiel hat viele der Vorteile des ersten Verfahrens gemäß der Erfindung.
  • Schlüssel zu den Figuren
  • 1
    • 22
    UMTS-Kernnetz
    lu
    VA [Verbindungsauslastung]
    Circuit Domain
    Leitungsvermittelter Bereich
    Packet Domain
    Paketvermittelter Bereich
    Light
    leicht
    Heavy
    stark
    Full
    voll
    20
    Funknetzsteuerung (RNC)
    16
    Knoten
  • Textblock unter der Figur:
    • Verkehr auf Nutzerebene (DCH/CTCH)
    Verkehr auf Nutzerebene (DCH)
    Verkehr auf Nutzerebene (CTCH)
    Zeichengabe auf Funkebene
    Zeichengabe auf Transportebene
  • 2
    • 40
    CRC-Anhang
    41
    1. Multiplexieren
    42
    Kanalcodierung
    43
    1. Verschachteln
    44
    Funkframesegmentierung
    45
    Ratenanpassung
    55
    Ratenanpassung
    60
    2. Multiplexieren
    61
    Physische Kanal-Segmentierung
    62
    2. Verschachteln
    63
    Physische Kanal-Abbildung
  • 4
    • Step
    Schritt
    Schritt 1
    Eingabe: (EB/N0); NSi, i = 1, ..., n
    Schritt 2
    Berechnen von SRFi und SF
    Schritt 3
    Ergebnis: SRF; SF für TFCI
    Schritt 4
    Zuweisen: Anzahl der Bits zum Punktieren/Wiederholen
    Schritt 5
    Punktierungs-/(Wiederholungsalgorithmus
  • 5
    • 1. Kasten
    Kanalcodierung CFi
    2. Kasten
    Ratenanpassung, statisch und dynamisch, RFi = DRF·SRFi

Claims (11)

  1. In einem UMTS-Netz, in dem mehrere Dienste von einem einzelner Nutzer mit verschiedenen Sendeleistungsanforderungen in einem einzelnen Kanal multiplexiert werden und die Technik der Ratenanpassung angewendet wird, ein Verfahren zum Bestimmen – für jeden Dienst – der Anzahl der zu punktierenden oder zu wiederholenden Bits, das durch folgende Schritte gekennzeichnet ist: Ableiten – für jeden Dienst – der Energie je Bit je Rauschdichte EB/N0, die benötigt wird, um eine gewünschte Bitfehlerrate zu erreichen; für jede EB/N0 Ableiten eines Wertes der Energie je codiertem Symbol je Rauschdichte ES/N0; Erhalten – für jeden Dienst – der Anzahl von Datenbits, die durch die Datenrate gegeben ist; Auswählen – für jeden Dienst – eines Spreizfaktors SF unter Verwendung der Anzahl von Datenbits; Ableiten von halb-statischen Ratenanpassungsfaktoren SRFi, wobei
    Figure 00250001
    und NRj die Anzahl von codierten Symbolen nach der halb-statischen Ratenanpassung ist, NSj die Anzahl von codierten Symbolen vor der Ratenanpassung ist, und G(SRFi) die Codierverstärkung ist, die dem Grad der halb-statischen Ratenanpassung zugeordnet ist, Berechnen des Ratenanpassungsfaktors RFi für jeden Dienst anhand des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors SRFi und eines entsprechenden dynamischen Ratenanpassungsfaktors DRF; und Berechnen der Anzahl von zu punktierenden oder zu wiederholenden Bits anhand des Ratenanpassungsfaktors RFi.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, das den anfänglichen Schritt des Erzeugens – für jeden Dienst – einer Nachschlagetabelle aufweist, die den Wert von EB/N0 enthält, der für jeden verwendeten Spreizfaktor und für jede wahrscheinlich anzutreffende Umgebung benötigt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Nachschlagetabelle in der Bitübertragungsschicht des UMTS gespeichert ist.
  4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das Folgendes aufweist: Ausführen der Ableitungen des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors und des Spreizfaktors in der Funkressourcensteuerung des UMTS; Übertragen der Werte zu der Bitübertragungsschicht des UMTS; und – in der Bitübertragungsschicht – Ausführen von Punktierung oder Wiederholung entsprechend den übertragenen Werten und den Werten in der Nachschlagetabelle.
  5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ratenanpassungsfaktor durch Erzeugen eines halb-statischen Ratenanpassungsfaktors für jeden Dienst und Multiplizieren des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors mit einem dynamischen Ratenanpassungsfaktor, der für alle zu multiplexierenden Dienste gleich ist, abgeleitet wird.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der halb-statische Ratenanpassungsfaktor durch Teilen durch die Codierungsverstärkung, die dem Faktor zugehört, normalisiert wird, wobei diese Verstärkung auf größer als –1 dB beschränkt ist.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, wobei der halb-statische Ratenanpassungsfaktor und der Spreizfaktor für jeden Dienst abgeleitet werden durch: Schätzen eines anfänglichen Spreizfaktors in Abhängigkeit davon, dass die Anzahl von Bits je Frame größer ist als eine Summe der Datenraten für alle zu multiplexierenden Dienste; und Vergleichen des anfänglichen Spreizfaktors mit der Nachschlagetabelle von Werten von ES/N0 für jeden Dienst und für alle wahrscheinlichen Umgebungen und Codierungsgrade, um den entsprechenden Satz von ES/N0 zu bestimmen.
  8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ratenanpassungsfaktor abgeleitet wird, indem die ES/N0 des codierten Verbundtransportkanals gleich der ES/N0 eines Dienstes mal der Inversen des Ratenanpassungsfaktors eingestellt wird.
  9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Ratenanpassungsfaktor abgeleitet wird, indem die ES/N0 eines Dienstes gleich der Dienstqualität nach der Kanalcodierung dieses Dienstes mal der Inversen des halb-statischen Ratenanpassungsfaktors eingestellt wird.
  10. UMTS-System, das Folgendes aufweist: ein UMTS-Kernnetz; mehrere Basisstationssteuerungen; mehrere Basisübertragungssysteme, die jeder BSC zugeordnet sind; und mehrere Mobiltelefone, die jeder BTS zugeordnet werden können, wobei die Mobiltelefone Mittel aufweisen, die dafür geeignet sind, das Verfahren nach Anspruch 1 zu implementieren.
  11. UMTS-System nach Anspruch 10, das des Weiteren dadurch gekennzeichnet ist, dass jedes Mobiltelefon Speichermittel aufweist, um eine Nachschlagetabelle der Anzahl von Bits zur Ratenanpassung zu speichern, die für jeden Dienst und für jede Umgebung, die wahrscheinlich für jeden Wert von EB/N0 anzutreffen ist, benötigt werden; und wobei jede BSC Mittel aufweist, um zu jedem Mobiltelefon und zu jeder BTS Werte eines Spreizfaktors und eines halb-statischen Ratenanpassungsfaktors für eine Kombination von Diensten, die in einem einzelnen Kanal zu oder von dem betreffenden Mobiltelefon zu multiplexieren sind, zu senden.
DE69938546T 1999-07-12 1999-07-12 Universales Mobiltelefonsystem Netzwerk (UMTS) mit verbessertem Verfahren für Ratenanpassung Expired - Lifetime DE69938546T2 (de)

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