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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Mobilkommunikationssystem
und insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Anfangssynchronisationssuche
in einem TD-SCDMA-(Time Division-Synchronous Code Division Multiple
Access)System.
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2. Hintergrund und Stand der
Technik
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Ein
TD-SCDMA-Kommunikationssystem ist allgemein ein Kommunikationssystem,
welches ein CDMA-Kommunikationssystem mit Schmalband-Zeitduplex
(NB-TDD) und ein Globales Mobilkommunikations- bzw. GSM-System miteinander vereinigt.
Bei einem solchen TD-SCDMA-Kommunikationssystem ist die Funkschnittstelle,
d. h. die erste Schicht (Lager 1), zwischen einem Endgerät und einer
Basisstation die gleiche wie beim NB-TDD-CDMA-Kommunikatiossystem,
während
die anderen, oberen Schichten die gleiche Struktur wie im GSM-System
haben.
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Üblicherweise
unterteilt sich der anfängliche Zellsuchprozess
bei einem TD-SCDMA-Kommunikationssystem
in vier Schritte. Der erste Schritt besteht darin, Basisstationsinformationen
einer Zelle zu erhalten, in dem sich das Endgerät aktuell befindet. Im zweiten
Schritt werden der verwendete Scrambling-Code und Basis-Midamble-Code identifiziert. Der
dritte Schritt dient dazu, die Lage eines Broadcast-Steuerkanals BCCH
zu überprüfen. Der
vierte Schritt besteht im Zugriff auf Informationen über einen
gemeinsamen Kanal einschließlich
Informationen, nämlich
Systeminformationen, die über
den BCCH übertragen
werden.
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Bei
dem Schritt des Empfangs der Basisstationsinformationen sucht das
Endgerät
einen Pilotzeitschlitz der Abwärtsstrecke
DwPTS (Downlink Pilot Time Slot) und erreicht eine Abwärts-Synchronisierung
mit der Basisstation. Zu diesem Zweck wählt das Endgerät aus 32
in Standards definierten Synchroncodes (Pilotsignalen) einen Synchroncode
aus und korreliert den gewählten
Synchroncode mit einem Basisbandeingangssignal (nachfolgend nur
als "Eingangssignal" bezeichnet). Auf
diese Weise korreliert das Endgerät nacheinander 32 Synchroncodes mit
einem Eingangssignal, um den zu dem von der Basisstation übertragenen
DwPTS ähnlichs ten
Synchroncode zu finden und so eine Anfangssynchronisation mit der
Basisstation herzustellen.
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Für die Anfangssynchronisation
mit der Basisstation kann das Endgerät wenigstens ein oder auch
mehrere Anpassfilter benutzen. Für
die Erzielung der Anfangssynchronisation führt das Endgerät dazu eine
Korrelation mit Hilfe eines der DwPTS-Länge
entsprechenden FIR-Filters mit 64 Abgriffen aus.
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Dabei
weiß aber
Endgerät,
wenn die Basisstation eines der 32 Pilotsignale (DwPTS) auswählt und
es an das Endgerät überträgt, nicht,
welchen DwPTS die Basisstation übermittelt
hat. Der schnellste Weg für
das Endgerät,
die Anfangssynchronisation zu suchen, kann dann der sein, mit 64
FIR-Filtern mit je 64 Abgriffen eine Korrelation durchzuführen. Die Hardware
des Endgeräts
stellt sich in diesem Fall freilich als eine sehr komplizierte Konstruktion
dar.
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Ferner
gilt, dass bei einer Anfangssynchronisationssuche mittels eines
einzigen FIR-Filters,
auch wenn dann die Hardwarekonstruktion einfach sein kann, 32 mal
eine Korrelation für
die Anfangssynchronisation durchgeführt werden muss, was zu dem Problem
führt,
dass die Suche eine lange Zeit in Anspruch nimmt. Der Umstand des
langen Filterabgriffs bei der Durchführung der Korrelation für die Anfangssynchronisierungssuche
im Endgerät
bedeutet, dass das Endgerät
wiederholt vielfache Multiplikationen und Additionen ausführen muss.
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Mit
anderen Worten, um die Anfangssynchronisation zu erzielen, muss
ein Korrelator 64 mal Multiplikationen und Additionen ausführen und
dies muss 32 mal für
jedes Eingangssignal (I, Q) ausgeführt werden. Sofern nicht die
Rechengeschwindigkeit größer als
die Geschwindigkeit des Eingangssignals ist, muss demnach ein Signal
von mehr als einem Subrahmen in einem Speicher gehalten werden, wobei
dann der Rechenvorgang 32 mal wiederholt werden muss. Dies führt zu einem
sehr hohen Stromverbrauch des Systems.
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EP 372 759 A2 offenbart
ein TDMA-Kommunikationssystem, bei dem die Synchronisation durch Übertragung
eines Zugangssignals von einem mobilen Endgerät und durch Korrelieren des
Zugangssignals mit einer bekannten Synchronisationsfolge in einer
Basisstation erzielt wird. Das mobile Endgerät überträgt das Zugangssignal mit einem
nominellen Teilnehmerzeitversatz relativ zum Zeittakt der Basisstation.
Die Basisstation erkennt den Beginn des Zugangssignals aus dem Anstieg
der empfangenen Signalleistung über
einen vorgegebenen Schwellenwert. Eine vorbestimm te Zeit nach dem
erkannten Beginn des Signals empfangene Informationen werden sodann
isoliert und als eigentlich interessierende Informationen behandelt.
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WO 03/039043 A1 ,
die ein nachveröffentlichtes
Dokument darstellt, schlägt
für ein
mobiles Endgerät
vor, Spitzen in der Empfangsleistung auf einem Synchronisationskanal
in einem TDMA-Kommunikationssystem mit gegenseitig synchronisierten
Basisstationen zu erkennen. Jede Basisstation hat ihren eigenen
Sendezeitversatz des Synchronisationskanals innerhalb eines Synchronisationszeitschlitzes. Über die
Position der Signalstärkespitzen
in dem Synchronisationszeitschlitz kann das Endgerät den richtigen
Zeittakt des Synchronisationskanals erkennen und die Synchronisationscodesuche
zu einem optimalen Zeitpunkt beginnen.
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Es
ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die Anfangssynchronisationssuche
in einem Mobilkommunikationssystem zu beschleunigen und gleichzeitig
eine verminderte Komplexität
und einen geringeren Stromverbrauch einer Vorrichtung zu ermöglichen,
die eine solche Anfangssynchronisationssuche ausführt.
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Um
das obige Ziel zu erreichen, stellt die vorliegende Erfindung ein
Synchronisationssuchverfahren gemäß Patentanspruch 1 zur Verfügung und schafft
ferner eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch
7. Bevorzugte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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In
einer Ausführungsform
umfasst ein Verfahren zur Anfangssynchronisierungssuche eines Mobilkommunikationssystems,
in dem eine Anfangssynchronisierung zwischen einem Endgerät und einer
Basisstation ausgeführt
wird, das Wählen
eines Bereichs für
eine Anfangssynchronisierung aus einem Eingangssignal und das Erzielen
einer Anfangssynchronisation durch Korrelieren des gewählten Bereichs
und eines Synchroncodes. Vorzugsweise wird der Aufaddierschritt
mit Hilfe eines Umlaufpuffers vorgenommen.
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Bei
der obigen Ausführungsform
umfasst das Wählen
eines Bereiches: das Aufaddieren von Eingangssignalen eines I-Kanals
und eines Q-Kanals und das Erzeugen je eines Absolutwerts, das Addieren
der beiden Absolutwerte und das Schätzen eines Bereichs, der eine
ungewöhnliche
Leistungsverteilung in einer Leistungsverteilung des addierten Absolutwerts
eines Rahmens zeigt, als Kandidatenbereich. In diesem Fall umfasst
der Schätzschritt
für den
Kandidatenbereich: Suchen eines Bereichs mit einer ungewöhnlichen
Leistungsverteilung anhand des Absolutwerts des Eingangssignals,
Prüfen,
ob die Länge
des entsprechenden Bereichs mit einem Suchbereich korrespondiert,
und Schätzen
des entsprechenden Bereichs als Kandidatenbereich, wenn die Länge des
die ungewöhnliche
Leistungsverteilung zeigenden Bereichs mit dem Suchbereich übereinstimmt.
Der Suchbereich beträgt
vorzugsweise 64 Chips.
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Bei
der obigen Ausführungsform
umfasst der Schritt zur Gewinnung der Anfangssynchronisierung: Gewinnen
eines Korrelationswerts für
jeden Kandidatenbereich und Beurteilen, ob die Synchronisierung
in einem korrespondierenden Kandidatenbereich erreicht wurde, wenn
ein bestimmter Korrelationswert größer als ein festgelegter Schwellenwert ist.
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Eine
Anfangssynchronisierungsvorrichtung eines Mobilkommunikationssystems
kann umfassen: erste und zweite Akkumulations- bzw. Aufaddierpuffer
zum jeweiligen Aufaddieren eines I-Signals und eines Q-Signals,
einen ersten und einen zweiten Absolutwertrechner zur Gewinnung
eines Absolutwerts aus dem Ausgangssignal des ersten bzw. zweiten Aufaddierpuffers,
einen Addierer zum Addieren der Ausgangssignale des ersten und des
zweiten Absolutwertrechners, eine Schätzeinrichtung zum Abschätzen eines
Kandidatenbereichs für
die Anfangssynchronisierung aus den addierten Absolutwerten und
eine Synchronisierungssucheinheit zur Gewinnung einer Anfangssynchronisierung
eines Endgeräts
durch Korrelieren des geschätzten
Kandidatenbereichs mit einem Synchroncode. Der Aufaddier-Puffer
ist vorzugsweise ein Umlaufpuffer.
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Am
besten sucht die Abschätzeinrichtung
einen Bereich mit einer ungewöhnlichen
Leistungsverteilung anhand eines Absolutwerts eines einzelnen Rahmens
und schätzt
einen Bereich mit einer dem Suchbereich entsprechenden Länge der
Leistungsverteilung als einen Kandidatenbereich. Vorzugsweise beträgt der Suchbereich
64 Chips.
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Die
Synchronisierungssuchvorrichtung gewinnt einen Korrelationswert
vorzugsweise durch Korrelieren des Kandidatenbereichs mit einem
Synchroncode. Wenn ein bestimmter Korrelationswert größer als
ein festgelegter Schwellenwert ist, bestimmt die Synchronisierungssuchvorrichtung,
dass eine Synchronisierung in der entsprechenden Kandidatenregion
erzielt wurde.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung wird mit weiteren Einzelheiten unter Bezugnahme auf die
beigefügten
Zeichnungen erläutert,
in denen:
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1 die
physikalische Kanalstruktur eines allgemeinen TD-SCDMA- oder eines UMTS-TDD-Systems
darstellt,
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2 eine
Anfangssynchronisierungssuchvorrichtung eines Mobilkommunikationssystems
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt,
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3 ein
Flussdiagramm eines Anfangssynchronisierungssuchverfahrens eines
Mobilkommunikationssystems gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist und
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4A und 4B ein
Verfahren zum Abschätzen
eines Kandidatenbereichs aus der Leistungsverteilung eines Eingangssignals
darstellen.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BEVORZUGTER
AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Allgemein
gilt, dass bei der TD-SCDMA-Betriebsart oder bei einer UMTS-TDD-Betriebsart (UMTS-TDD:
Universal Mobile Telecommunications System-Time Division Duplexing)
ein Pilotsignal die Eigenschaft hat, dass es sich an einer speziellen
Position jedes Subrahmens wiederholt. Im Gegensatz hierzu stellen
sich andere Signale als Zufallssignale dar. Dies ist für CDMA ein
Erfordernis. Folglich kann das Pilotsignal als Synchronisierungscode
(Sync-DL) für
eine Anfangssynchronisierung zwischen einem Endgerät und einer
Basisstation genutzt werden.
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32
Synchroncodes (Sync-DL) mit einer Länge von 64 Bits sind in 3GPP
TS 25.223 dargestellt. Die Basisstation wählt einen der 32 Synchroncodes aus
und fügt
den ausgewählten
Synchroncode wiederholt an einer speziellen Position jedes Subrahmens
ein, nämlich
im DwPTS (Abwärts-Pilotzeitschlitz),
so dass das Endgerät
diesen für
die Anfangssynchronisierungsoperation verwenden kann.
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1 stellt
die physikalische Kanalstruktur bei TD-SCDMA oder UMTS-TDD dar.
Wie in 1 dargestellt, umfasst der physikalische Kanal
bei TD-SCDMA eine Vielzahl von Subrahmen. Die schattierten Bereiche
zeigen die Positionen des DwPTS, die übrigen Bereiche geben verschiedene
Daten und einen Steuerkanal wider. Diese übrigen Bereiche können einen
Aufwärts-Pilotzeitschlitz
UpPTS (Uplink Pilot Time Slot), von einem benachbarten Endgerät übertragenes
Rauschen und Signale umfassen, die einen Fadingkanal durchlaufen
haben.
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In
der TD-SCDMA- oder UMTS-TDD-Betriebsart korreliert das Endgerät ein Eingangssignal und
einen Synchroncode für
eine Anfangssynchronisierung mit einer Basisstation. Dabei werden,
um nochmals auf den Stand der Technik zurückzukommen, 32 in dem Endgerät vorhandene
Synchroncodes nacheinander mit dem vollständigen Eingangssignal korrigiert,
um den Synchroncode zu suchen, der dem von der Basisstation übermittelten DwPTS
am besten entspricht, um auf diese Weise eine Anfangssynchronisierung
zu erzielen.
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Im
Gegensatz hierzu schlägt
die vorliegende Erfindung ein Verfahren vor, bei dem die Korrelation nicht
mit dem gesamten Eingangssignal durchgeführt wird, sondern mit einem
speziellen Bereich eines Eingangssignals, so dass die Anfangssynchronisierung bei
TD-SCDMA einfach und schnell ablaufen kann. Zu diesem Zweck sind
gemäß der vorliegenden
Erfindung Puffer vorgesehen, um darin I- und Q-Eingangssignale eines Subrahmens zu
speichern, wobei die Eingangssignale über mehrere Rahmen akkumuliert
bzw. aufaddiert werden. Hierbei ist lediglich eine Addition für einen
Abtastwert nötig.
Wenn nach einer bestimmten Zeit Absolutwerte der in den Puffern
gespeicherten akkumulierten Werte der Eingangssignale erhalten werden,
zeigt sich die mittlere Leistung der Eingangssignale als periodisch.
Nimmt man folglich an, dass die Puffer Umlaufpuffer sind, wird ein
Signalbereich mit einer signifikanten mittleren Leistung, der eine
bestimmte Länge überschreitet
(z. B. etwa 60 Chips), gesucht und als ein Kandidatenbereich gewählt. Mit
dem so ausgewählten Kandidatenbereich
wird dann eine Korrelation durchgeführt. Für einen Fachmann ist es klar,
dass der Signalbereich mit der signifikanten Leistung ein Bereich
relativ hoher Leistung im Vergleich zu anderen Bereichen sein kann
oder einen Schwellenwert oder einen Differenzialschwellwert oder
dgl. übersteigen kann.
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Weil
an den Eingangssignalen nur Additionen ausgeführt werden, ist die Gesamtberechnung sehr
einfach. Da außerdem
der Kandidatenbereich sehr präzise
abgeschätzt
werden kann, gibt es üblicherweise
nicht viele Nachberechnungen. Da fernerhin die Abarbeitung nicht
parallel erfolgt, ist die Software- und Hardwareimplementierung
dieses Verfahrens nicht kompliziert.
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2 zeigt
eine Vorrichtung zur Anfangssynchronisierungssuche gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Vorrichtung umfasst: Akkumulationspuffer 10 und 20 zur
Aufaddierung eines I- bzw. eines Q-Eingangssignals, Absolutwertrechner 30 und 40 zur
Berechnung von Absolutwerten der Ausgangswerte des Akkumulationspuffers 10 bzw. 20,
einen Addierer 50 zum Addieren der Absolutwerte der Absolutwertrechner 30 und 40, eine
Schätzeinrichtung 60,
um anhand des Additionswerts (Summe) des Addierers 50 einen
Kandidatenbereich für
die Suche der Position des Abwärts-Pilotsignals
(DwPTS) abzuschätzen,
und eine Synchronisierungssucheinheit 70 zur Durchführung einer Korrelation
mit dem durch die Abschätzeinrichtung 60 geschätzten Kandidatenbereich
und zur Erzielung einer Anfangssynchronisierung.
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Die
I- und Q-Eingangssignale sind abgetastete Basisbandsignale; jeder
der Akkumulationspuffer 10, 20 hat üblicherweise
eine Größe von 6400 Chips.
Wenn das Eingangssignal ein Signal ist, das um den Faktor "m" mal der Chiprate des Basisbandsignals überabgetastet
ist, würde
die Größe der Akkumulationspuffer 10, 20 in
diesem Beispiel 6400 Chips x m betragen.
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Die
von der Basisstation übermittelten
I- und Q-Eingangssignale werden in einem jeweiligen der Akkumulationspuffer 10 und 20 akkumuliert
(Schritt S10). Da die Akkumulationspuffer 10 und 20 Umlaufpuffer
sind, werden die I- und Q-Eingangssignale, nachdem
sie im letzten Speicherbereich gespeichert wurden, durch Aufaddieren
zu den zuvor gespeicherten Werten des ersten Speicherbereichs gespeichert. Dies
kann durch die folgende Gleichung (1) beschrieben werden: ΣI(t%L); ΣQ(t%L) (1),worin
- t
- eine Eingangsfolgenummer
ist,
- L
- die Größe des Akkumulationspuffers
ist, nämlich
6400 Chips oder 6400 Chips x m (im Falle der Überabtastung),
- %
- gibt einen Resteoperator
an. 't' ist dabei eine ganze
Zahl zwischen 1 und n und t%L hat einen Wert zwischen 0 und 6400.
Das heißt, ΣI(t%L) kann
ausgedrückt
werden durch I(1%6400) + I(2%6400) + I(3%6400) + ... + I(n%6400).
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Gemäß dem Ergebnis
der Resteberechnung wird somit ein Wert I(1) an einer Adresse 1
des Akkumulationspuffers 10 gespeichert, während ein
Wert I(2) an einer Adresse 2 gespeichert wird. Ein resultierender
Wert von I(0) wird somit an der Adresse 6400 gespeichert, und der
nächste
eingegebene Wert I(1) wird akkumulierend an der Adresse 1 gespeichert.
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Die
Absolutwertrechner 30, 40 erhalten die Akkumulationswerte
der Akkumulationspuffer 10, 20 und errechnen absolute
Werte (Schritt S11). Der Addierer 50 addiert die von den
Absolutwertrechnern 30, 40 ausgegeben Absolutwerte
(Schritt S12). Das Addierergebnis kann durch die nachfolgende Gleichung
(2) beschrieben werden: |ΣI(t%L)| +
|Σ0(t%L)| (2)
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Wenn
die Additionsoperation, wie sie zuvor beschrieben wurde, ausgeführt wird,
ist der Additionswert angenähert
ein Zufallsrauschen mit einem Mittelwert von Null, und zwar unter
der Annahme, dass das Rauschen ein Signal mit der Eigenschaft ist,
dass es im Mittel Null ist, und unter der Annahme, dass die UpPTSs
zwischen den Zeitschlitzen (TS0–TS6)
und verschiedenen Endgeräten
in dem physischen TD-SCDMA-Kanal
unkorreliert sind. Dann erscheinen in einem Subrahmen periodisch Bereiche
mit einer vergleichsweise hohen Leistungsverteilung. In diesem Falle
hilft der Anschluss eines Tiefpassfilters (TPF) an den Ausgangsanschluss
des Addierers 50, eine klarere Leistungsverteilung zu erhalten.
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Die
Schätzeinrichtung 60 empfängt folglich vom
Addierer 50 oder vom TPF (sofern ein Tiefpassfilter angeschlossen
ist) einen 1 Subrahmen (6400 Chips) entsprechenden Ausgangswert
und schätzt einen
Bereich mit relativ hoher Leistungsverteilung als einen Kandidatenbereich
für DwPTS
(Schritt S13). Ein Bereich (W) für
die Abschätzung
des Kandidatenbereichs beträgt
dabei vorzugsweise 64 Chips.
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Die 4A und 4B zeigen
ein Verfahren zum Abschätzen
eines Kandidatenbereichs in der Leistungsverteilung eines vom Addierer 50 oder vom
Tiefpassfilter TPF abgegebenen Signals. Ein lediglich den DwPTS
der Basisstation enthaltendes Eingangssignal ist in 4A gezeigt.
Ein einer Länge
von 64 Chips ähnelnder
Leistungsblock in der Leistungsverteilung kann als DwPTS-Position
angesehen werden. Folglich schätzt
die Schätzeinrichtung 60 diesen
64 Chips entsprechenden Bereich als einen Kandidatenbereich für DwPTS.
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4B zeigt
ein Beispiel mit einem Eingangssignal, das sowohl den DwPTS der
Basisstation als auch den UpDTS eines benachbarten Endgeräts enthält, wobei
der UpPTS eine höhere
Leistungsverteilung als der DwPTS zeigt. Wie in 4B gezeigt,
beträgt
die Länge
der Leistungsverteilung des UpPTS jedoch 128 Chips, was den geeigneten Suchbereich
(W=64 Chips) übersteigt.
Folglich ist der UpPTS kein Kandidatenbereich für den DwPTS. Das bedeutet,
dass die Schätzeinrichtung 60 nur einen
im Eingangssignal auftretenden Bereich mit einer vergleichsweise
hohen Leistungsverteilung und einer Größe von etwa 64 Chips als einen
Kandidatenbereich betrachtet.
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Die
Synchronisierungssucheinheit 70 sucht nach einer Position
des DwPTS aus dem/den Kandidatenbereich(en), die von der Schätzeinrichtung 60 geschätzt wurden
(Schritt S14). Folglich korreliert die Synchronisierungssucheinheit 70 die
geschätzten Regionen
und den Synchroncode und erzeugt die Synchronisierung des DwPTS.
Insbesondere führt die
Synchronisierungssucheinheit 70 die Korrelation mit dem/den
Kandidatenbereich(en) und wenn der Korrelationswert größer als
ein im Stand der Technik bekannter bestimmter Schwellenwert ist,
aus. Die Synchronisierungssucheinheit 70 betrachtet den
korrespondierenden Kandidatenbereich als Position eines DwPTS- und
erzielt dadurch eine Anfangssynchronisierung.
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Da
die Korrelation nicht mit dem ganzen Eingangssignal sondern nur
mit einem speziellen Bereich des Eingangssignals vorgenommen wird,
werden komplizierte Berechnungen, die sonst für die Anfangssynchronisierung
eines TD-SCDMA- oder UMTS-TDD-Endgeräts erforderlich wären, in
erheblichen Maße
verringert. Als Folge hiervon reduziert sich der Gesamtsuchbereich
von 6400 oder 6400 x m auf W, so dass die Suchzeit stark verkürzt wird.
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Damit
das Endgerät
mit der Basisstation synchronisiert wird, werden ferner nur Additionen
anstelle von Multiplikationen und Additionen, wie im bekannten Stand
der Technik, ausgeführt.
Folglich ist die Anzahl der insgesamt durchzuführenden Berechnungen zur Erzielung
einer Synchronisierung vermindert. Das hat zur Folge, dass die Komplexität und der Energieverbrauch
im Kommunikationssystem verringert werden kann.