FI106327B - Tiedonsiirtomenetelmä ja radiojärjestelmä - Google Patents

Description

1 106327

Tiedonsiirtomenetelmä ja radiojärjestelmä

Keksinnön ala

Keksinnön kohteena on tiedonsiirtomenetelmä sekä radiojärjestel-' mä. Erityisesti keksintö kohdistuu menetelmään ja järjestelmään, joissa lähe- 5 tettävää signaalia varten on käytettävissä sekä GMSK että m-PSK modulaatio-menetelmät ja joissa kulloinkin käytetty modulaatiomenetelmä on vaihdettavissa toiseen modulaatiomenetelmään.

Keksinnön tausta

Radiotietoliikennejärjestelmissä kanavan eli radiotien laatu vaihtelee 10 jatkuvasti. Radiojärjestelmien kanavan laatuun vaikuttavat useat tekijät, joita ovat monitie-eteneminen, häipymiset, ympäristön häiriöt ja monet muut seikat.

Tunnettuja radiojärjestelmiä suunniteltaessa pyrkimys on ollut turvata signaalin laatu myös silloin, kun kanavan laatu on heikko. Suunniteltaessa tiedonsiirtojärjestelmiä eräs oleellinen parametri on siirtotiellä käytettävä 15 modulointimenetelmä. Siirrettäviä informaatiosymboleita ei sellaisinaan voi siirtää siirtotien yli johtuen siirtotiellä tapahtuvista häviöistä ja siirtotien kapasiteetista, vaan symbolit täytyy moduloida sopivalla menetelmällä, jotta siirtotien kapasiteetti ja siirronlaatu saadaan tyydyttäväksi. Tunnettuja järjestelmiä kehitettäessä on modulaatiomenetelmää valittaessa painopisteenä siis ollut siirto-20 laadun turvaaminen, jolloin modulointimenetelmien suorituskyky huonoissa kanavaolosuhteissa on tärkeää. Tästä johtuen nykyisten menetelmien kyky välittää suuren datanopeuden omaavia signaaleita on varsin heikko. Turvattaessa siirron laatua on siis jouduttu tinkimään kapasiteetista.

Eräs esimerkki tunnetuista modulaatiomenetelmistä on GMSK 25 (Gaussian Minimum Shift Keying), jota käytetään GSM-solukkoradiojärjestel-mässä (Global System for Mobile communication). Sillä on suppea taajuus-spektri ja hyvä suorituskyky, mutta datan siirtonopeudet eivät ole kovin suuria. Vaihe-avainnusmenetelmillä m-PSK (Continuous Phase Shift Keying) on mah-• .* dollista saavuttaa suuria datanopeuksia, mutta modulaatiomenetelmä toimii 30 hyvin ainoastaan silloin kun siirtokanavassa on vain vähän häiriöitä, eli kun signaalikohinasuhde on hyvä.

Eräs ratkaisu optimoida suorituskyky ja siirtonopeus on vaihtaa käytettävää modulaatiomenetelmää kulloisenkin tarpeen mukaan. Silloin, kun tarvitaan hyvää häiriökestävyyttä, voidaan käyttää esimerkiksi GMSK-mene-35 telmää, ja silloin kun kanavan laatu on hyvä, voidaan käyttää esimerkiksi 8- 2 106327 PSK-menetelmää, jolla saavutetaan kolminkertainen datanopeus GMSK:hon verrattuna.

Tunnetuissa radiojärjestelmissä ongelmana on vaihtaa modulaatio-menetelmää saumattomasti jatkuvan yhteyden aikana. Modulaatiomenetelmän 5 vaihto aiheuttaa ongelmia erityisesti vastaanottimessa, koska lähetin voi vaihtaa modulaatiomenetelmää ilmoittamatta vastaanottimelle etukäteen. Saumatonta modulaatiomenetelmän vaihtamista tarvitaan kuitenkin muun muassa pakettikytkentäisen data siirrossa.

Käytettäessä GMSK- ja PSK-menetelmiä vastaanottimen tulee siis 10 signaalia vastaanottaessaan tutkia ja tehdä päätös kumpaa modulaatiomenetelmää käyttäen signaali on lähetetty. Koska modulaatiomenetelmä voi vaihtua ennalta ilmoittamatta, tämä modulaatiomenetelmän tutkimisoperaatio on jatkuva operaatio, ja mitä helpommin se voidaan tehdä sitä parempi. Aiemmin on tunnettua tehdä päätös käytetystä modulaatiomenetelmästä kunkin kehyksen 15 opetusjakson perusteella. Koska vastaanotetun GMSK-signaalin signaalikons-tellaatio vastaanottimessa pyörii, täytyy pyörintä poistaa ennen ilmaisua. PSK-signaalin signaalikonstellaatio vastaanottimessa ei pyöri, joten signaaleita täyttyy vastaanottimessa käsitellä eri tavoin ennen kanavan estimointia. Tästä aiheutuu ongelmia, koska ennen kanavan estimointia vastaanotin ei tiedä 20 käytettyä modulaatiomenetelmää.

Keksinnön lyhyt selostus

Keksinnön tavoitteena on siten toteuttaa menetelmä ja menetelmän toteuttava radiojärjestelmä siten, että yllä mainitut ongelmat saadaan ratkais-: : tua. Näin vastaanotin voi tehokkaasti demoduloida ja ilmaista lähetetyn sig- 25 naalin, vaikka vastaanottimella ei olisikaan ennalta tiedossa lähettimen modulaatiomenetelmä. Tämä saavutetaan keksinnön mukaisella tiedonsiirtomenetelmällä, jossa menetelmässä lähetettävää signaalia varten on käytettävissä sekä GMSK että m-PSK modulaatiomenetelmät ja kulloinkin käytetty modulaatiomenetelmä on vaihdettavissa toiseen modulaatiomenetelmään. Mene-- 30 telmän mukaisesti että käytettäessä m-PSK modulaatiomenetelmää signaali kerrotaan annetulla kertoimella, jolloin vastaanotettaessa signaalikonstellaatiot ovat modulaatiomenetelmästä riippumatta samankaltaiset.

Keksinnön kohteena on myös radiojärjestelmä, joka käsittää joukon lähettimiä ja vastaanottimia, ja joista lähettimistä ainakin osa on käsittää sig-35 naalin moduloimiseksi sekä GMSK-modulaattorin että m-PSK modulaattorin ja ohjausyksikön, joka on sovitettu valitsemaan kullakin ajan hetkellä käytetyn 3 106327 modulaatiomenetelmän. Keksinnön mukaisessa järjestelmässä lähettimen m-PSK-modulaattori käsittää kertojan, joka on sovitettu kertomaan lähetettävä signaali annetulla kertoimella, jolla signaalin signaalikonstellaatiot vastaanotettaessa signaalia saadaan modulaatiomenetelmästä riippumatta sa-5 mankaltaisiksi.

Keksinnön mukaisella menetelmällä ja järjestelmällä saavutetaan useita etuja. Eri modulaatiomenetelmät voidaan yhdistää keksinnöllisessä ratkaisussa saumattomasti, koska eri modulaatiomenetelmillä lähetettyjä signaaleita voidaan käsitellä samalla tavoin ennen kanavan estimointia.

10 Keksinnön edullisessa toteutusmuodossa lähetettävä m-PSK-sig- naali kerrotaan kertoimella, jolla signaalikonstellaatio vastaanottimessa pyörii kuten GMSK-moduloidun signaalin konstellaatio. Keksinnön mukaisella ratkaisulla vältetään PSK-modulaatiomenetelmän eräs haittapuoli, joka esiintyy, kun lähetettävä data on pelkkiä nolla bittejä. Tällöin moduloitu signaali on koostu-15 nut pelkästään kantoaallosta, mutta keksinnön mukaisessa ratkaisussa konstellaation pyörinnän ansiosta tällainen tilanne vältetään.

Kuvioiden lyhyt selostus

Keksintöä selostetaan nyt lähemmin edullisten suoritusmuotojen yhteydessä, viitaten oheisiin piirroksiin, joissa 20 kuvio 1 esittää esimerkkiä keksinnön mukaisesta radiojärjestelmäs tä, kuvio 2 havainnollistaa lähetinvastaanottimen rakennetta, kuvio 3 havainnollistaa GMSK-modulaatiomenetelmän signaalikons- : tellaatiota, 25 kuvio 4 havainnollistaa 8-PSK-modulaatiomenetelmän signaali- konstellaatiota, kuvio 5 havainnollistaa modulaattorin rakennetta, kuvio 6 havainnollistaa PSK-modulaattorin rakennetta ja kuvio 7 havainnollistaa demodulaattorin rakennetta.

• » 30 Keksinnön yksityiskohtainen selostus

Kuviossa 1 havainnollistetaan erästä digitaalista tiedonsiirtojärjestelmää, jossa keksinnön mukaista ratkaisua voidaan soveltaa. Kyseessä on osa solukkoradiojärjestelmästä, joka käsittää tukiaseman 100, joka on kaksisuuntaisessa yhteydessä 102 - 106 tilaajapäätelaitteisiin 108-112. Tukiasema on 35 edelleen yhteydessä tukiasemaohjaimeen 114, joka välittää päätelaitteiden yh- 4 106327 teydet muualle verkkoon. Järjestelmässä sekä päätelaitteilla että tukiasemalla, tai ainakin osalla näistä laitteista, on käytettävissä sekä GMSK että m-PSK modulaatiomenetelmät. Kulloisenkin tilanteen mukaan kulloinkin käytetty modulaatiomenetelmä on vaihdettavissa toiseen modulaatiomenetelmään. Huo-5 non signaalikohinasuhteen vallitessa voidaan käyttää GMSK- menetelmää ja siirtoyhteyden niin salliessa esimerkiksi 8-PSK-menetelmää. Esimerkkinä keksinnön mukaisista järjestelmistä mainittakoon EDGE, eli digitaalisen GSM-solukkoradiojärjestelmän jatkokehitetty järjestelmä. Keksintö ei kuitenkaan ole siihen rajoitettu, kuten alan ammattimiehelle on selvää. Keksintö soveltuu käy-10 tettäväksi myös muissa järjestelmissä.

Tarkastellaan seuraavaksi esimerkkiä keksinnön mukaisen järjestelmän lähettimen rakenteesta. Tässä on esitetty tilaajapäätelaitteen 108 rakenne. Vastaavat komponentit löytyvät olennaisin osin myös tukiaseman lähetin-vastaanottimesta, kuten alan ammattimiehelle on selvää. Vastaanottosuun-15 nassa antennilla 200 vastaanotettu signaali viedään duplexsuodattimelle 202, joka erottaa lähetyksessä ja vastaanotossa käytetyt taajuudet toisistaan. Duplexsuodattimelta 202 signaali viedään radiotaajuusosille 204, jossa signaali muunnetaan välitaajuudelle tai suoraan kantataajuudelle, jossa muodossa oleva signaali näytteistetään ja kvantisoidaan analogia/digitaalimuuntimes-20 sa 206. Muuntimesta signaali viedään taajuuskorjaimelle 208, joka kompensoi häiriöitä, esimerkiksi monitie-etenemisen aiheuttamia häiriöitä. Demodulaatto-rissa 210 suoritetaan moduloinnin purku eli otetaan taajuuskorjatusta signaalista bittivirta, joka välitetään demultiplekserille 212. Demultiplekseri 212 erot-telee bittivirran eri aikaväleistä omiin loogisiin kanaviinsa. Demultiplekseriltä •; 25 signaali viedään lomituksen purkuun ja salauksen purkuun 213. Tämän jäl keen kanavakoodekki 214 dekoodaa eri loogisten kanavien bittivirran, eli päättää onko bittivirta signalointitietoa, joka välitetään ohjausyksikölle 216, vai onko bittivirta puhetta, joka välitetään puhekoodekille 218, joka purkaa puhe-koodauksen. Puhekoodekilta signaali viedään edelleen kaiuttimelle 220. Ka-30 navakoodekki 214 suorittaa myös virheenkorjausta. Ohjausyksikkö 216 suo-.. rittaa sisäisiä kontrollitehtäviä ohjaamalla eri yksikköjä.

Mt Lähetyssuunnassa signaali viedään mikrofonilta 222 puhekoodekille 218, joka suorittaa puhekoodauksen. Puhekoodekilta signaali viedään kanava-koodekille 214, jossa suoritetaan kanavakoodaus. Kanavakoodekista 214 tule-35 valle datalle suoritetaan lomittelu ja salaus 219. Tämän jälkeen signaali viedään purskemuodostimelle 224, joka koostaa lähetettävän purskeen esimer-’·; kiksi lisäämällä opetussekvenssin ja hännän kanavakoodekista 218 tulevaan 5 106327 dataan. Multiplekseri 226 osoittaa kullekin purskeelle sen aikavälin. Modulaattori 228 moduloi digitaaliset signaalit radiotaajuiselle kantoaallolle. Tätä selvitetään tarkemmin tuonnempana. Moduloitu signaali viedään radiotaajuiselle lähetinyksikölle 230, jossa signaali ennen lähetystä suodatetaan, eli signaalin 5 kaistanleveyttä rajoitetaan halutulle alueelle ja suodatuksen jälkeen lähetetään duplexsuodattimen 202 kautta antennin 200 avulla. Lähetin 230 kontrolloi myös lähetyksen ulostulotehoa. Syntetisaattori 232 järjestää tarvittavat taajuudet eri yksiköille.

Esitetty laite saattaa käsittää muitakin komponentteja, kuten sovitit) timia ja suodattimia, kuten alan ammattimiehelle on selvää.

Tarkastellaan seuraavaksi tarkemmin modulaattorin 228 toimintaa. Jatkossa käytetään m-PSK:sta esimerkkitapauksena 8-PSK:ta. Keksintö ei kuitenkaan ole siihen rajoittunut, kuten alan ammattimiehelle on selvää.

Kuviossa 3 havainnollistetaan vastaanotetun signaalin signaalikons-15 tellaatiota, kun signaali on lähetetty GMSK-modulaatiomenetelmällä. Konstellaatio käsittää periaatteessa neljä pistettä 300, 302, 304, ja 306. Oletetaan, että ollaan pisteessä 300. GMSK:ssa käytetään differentiaalikoodausta, eli sig-naalikonstellaatiossa liikutaan eri suuntiin riippuen, onko uusin bitti sama vai eri kuin edellinen bitti. Mikäli bitti oli sama (0-»0 tai 1—>1), siirrytään konstel-20 laatiossa vastapäivään eli suoritetaan siirtymä 308. Mikäli bitti on eri (0-»1 tai 1—>0), siirrytään konstellaatiossa myötäpäivään eli suoritetaan siirtymä 310. Koska GMSK:ssa pyrkimyksenä on kasauttaa pisteet kahteen eri kasaan, esim 300 ja 304, virheiden minimoimiseksi, edellisen lisäksi signaali kerrotaan arvolla e'ik,tM, missä k on bitti-indeksi, joka riippuu bitin paikasta kehyksessä, i : 25 Tällä aikaansaadaan konstellaation pyöriminen myötäpäivään, eli yllä kuva tuissa esimerkeissä siirtymän 308 jatkoksi tulee siirtymä 312, eli pysytään samassa pisteessä. Vastaavasti siirtymän 310 jatkoksi tulee siirtymä 314, eli siirrytään pisteeseen 304.

Kuviossa 4 havainnollistetaan vastaanotetun signaalin signaalikons-30 tellaatiota, kun signaali on lähetetty 8-PSK-modulaatiomenetelmällä. Konstel-;; laatio käsittää kahdeksan pistettä 400, 402, 404, 406, 408, 410, 412 ja 414.

Kahdeksan pistettä vastaa kahdeksaa mahdollista symbolia, jota 8-PSK:ssa lähetetään. Kukin symboli koostuu kolmesta bitistä, jotka ovat Gray-koodatut siten, että vierekkäisten pisteiden bittikombinaatiot poikkeavat toisistaan aina 35 yhdellä bitillä. Erästä mahdollista koodausta havainnollistetaan kuviossa merkityillä bittikombinaatioilla.

• * •« 6 106327

Tarkastellaan keksinnön mukaista ratkaisua kuviossa 5 esitetyn modulaattorilohkokaavion avulla. Lähetin voi siis tarvittaessa vaihtaa käytettyä modulointimenetelmää. Keksinnön mukainen lähetin käsittää sekä GMSK-modulaattorin 500 että PSK-modulaattorin 502. Lähetettävä signaali viedään 5 modulaattorissa ensi ensimmäiselle kytkimelle 504. Kytkimellä on kaksi asentoa. Toisessa asennossa kytkin 504 kytkee signaalin GMSK-modulaattorille. Toisessa asennossa kytkin kytkee signaalin PSK-modulaattorille. Kytkimelle tulee ohjaussignaali 506 lähettimen ohjausyksiköltä (ei näytetty). Modulaattorien ulostulot viedään toiselle kytkimelle 508, jolla on myös kaksi asentoa. Toi-10 nen kytkin 508 toimii tahdistettuna ensimmäiseen kytkimeen 504 siten, että jos ensimmäinen kytkin on kytkenyt signaalin tiettyyn modulaattoriin, niin myös toinen kytkin on kytkenyt signaalitien samaan modulaattoriin. Myös toiselle kytkimelle tulee ohjaussignaali 510 lähettimen ohjausyksiköltä (ei näytetty). Toiselta kytkimeltä 508 signaali viedään edelleen radiotaajuusosille.

15 GMSK-modulaattori 500 voidaan keksinnön mukaisessa lähettimes- sä toteuttaa alan ammattimiehelle tunnetuilla tavoilla. Kuviossa 6 havainnollistetaan PSK-modulaattorin rakennetta.

Merkittäköön lähetettävää 8-PSK-symbolia kirjaimella S, jossa S voi siis saada arvoja [0,1,..., 7]. Modulaattori käsittää kooderin 600, jossa suorite-20 taan ensin lähetettävien bittien kuvaus symboliksi S, eli S = Map(B2, B1, BO), jossa BO, B1 ja B3 ovat kolme peräkkäistä lähetettävää bittiä. Tämän jälkeen symboli viedään kertojalle 602, jossa suoritetaan kertominen termillä e'1™4, missä k on bitti-indeksi, joka riippuu bitin paikasta kehyksessä. Tieto bitti-indeksistä k tuodaan kertojalle lähettimen ohjausyksiköltä (ei näytetty tässä ku-: 25 viossa). Tämä kertominen aikaan saa konstellaation pyörimisen. Tarkastelta essa kuviota 4, oletetaan esimerkiksi että symbolin 400 jälkeen on lähetettävä kolme peräkkäistä bittiä, jotka vastaavat symbolia 404. Tällöin suoritetaan ensin kuvaus symbolille 404, ja sen jälkeen kertominen termillä e'in/4k, joka aikaansaa 90° rotaation myötäpäivään. Tällöin ollaan pisteessä 400, joka siis 30 lähetetään. Vastaavasti, jos lähetettävät kolme bittiä vastaisivat symbolia 400, niin rotaation johdosta lähetetäänkin symboli 412.

Kertojan 602 jälkeen signaali voidaan esittää muodossa P = e'ik,t/4 e1!tS/4, jossa S on siis lähetettävä symboli. Kertojalta 602 signaali viedään suo-dattimelle 604, jossa suoritetaan edullisesti Gaussin jakauman mukainen suo-35 datus. Suodattimelta signaali viedään toiselle ja kolmannelle kertojalle 606, 7 106327 608, joissa signaali kerrotaan radiotaajuudelle wc. Signaalikomponentit yhdistetään summaimessa 610 ja viedään edelleen radiotaajuusosille.

Tarkastellaan vielä vastaanottimen demodulaattorin rakennetta kuvion 7 lohkokaavion avulla. Vastaanottimen rakenteessa tulevat keksinnön * 5 mukaisen ratkaisun eräät edut esille. Demodulaattori käsittää kertojan 700, jossa vastaanotettu signaali kerrotaan termillä e'ik,tM. Tämä kertominen poistaa signaalikonstellaation pyörimisen. Kertojalta signaali viedään estimaattorille 702, jossa estimoidaan impulssivaste, ja jossa voidaan tehdä päätös käytetystä modulointimenetelmästä. Estimaattorilta signaali viedään ilmaisimelle 704, 10 joka on edullisesti esimerkiksi Viterbi-ilmaisin. Keksinnön mukaisessa.ratkaisussa voidaan signaalin käsittely toteuttaa samankaltaisesti riippumatta käytetystä modulointimenetelmästä. Ilman keksinnön mukaista ratkaisua täytyisi signaali haaroittaa ennen kertojaa toiseen haaraan, jossa prosessoidaan signaalia ilman pyörinnän poistamista. Tämän haaran puuttuminen yksinkertais-15 taa vastaanottimen toteutusta.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten oheisten piirustusten mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin oheisten patenttivaatimusten esittämän keksinnöllisen ajatuksen puitteissa.

9 m m « *

Claims (10)

106327

1. Tiedonsiirtomenetelmä, jossa menetelmässä lähetettävää signaalia varten on käytettävissä sekä GMSK että m-PSK modulaatiomenetelmät ja kulloinkin käytetty modulaatiomenetelmä on vaihdettavissa toiseen modu- 5 laatiomenetelmään, tunnettu siitä, että käytettäessä m-PSK modulaatio-menetelmää signaali kerrotaan annetulla kertoimella, jolloin vastaanotettaessa signaalikonstellaatiot ovat modulaatiomenetelmästä riippumatta samankaltaiset.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, 10 että lähetettävä signaali käsittää useasta bitistä muodostuvia purskeita, ja että annettu kerroin riippuu bitin paikasta purskeessa.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetettävä signaali käsittää useasta bitistä muodostuvia purskeita, ja että lähetettävä signaali kerrotaan kertoimella e'il0l/4, jossa k on bitti-indeksi.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että lähetettävä m-PSK-signaali kerrotaan kertoimella, jolla signaalikons-tellaatio vastaanottimessa pyörii kuten GMSK-moduloidun signaalin konstellaatio.

5. Patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu 20 siitä, että modulaatiomenetelmä on vaihdettavissa toiseen modulaatiomenetelmään vastaanottimen tietämättä.

6. Patenttivaatimuksen 1-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että menetelmää sovelletaan solukkoradiojärjestelmässä. • 7. Radiojärjestelmä, joka käsittää joukon lähettimiä (100, 108 - 112) 25 ja vastaanottimia (100, 108- 112), ja joista lähettimistä ainakin osa on käsittää signaalin moduloimiseksi sekä GMSK-modulaattorin (500) että m-PSK (502) modulaattorin ja ohjausyksikön (216), joka on sovitettu valitsemaan kullakin ajan hetkellä käytetyn modulaatiomenetelmän, tunnettu siitä, että lähettimen m-PSK-modulaattori käsittää kertojan (602), joka on sovitettu kertomaan 30 lähetettävä signaali annetulla kertoimella, jolla signaalin signaalikonstellaatiot vastaanotettaessa signaalia saadaan modulaatiomenetelmästä riippumatta samankaltaisiksi.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että lähetettävä signaali käsittää useasta bitistä muodostuvia purskeita, ja että 35 järjestelmän lähetin käsittää kertojan (602), joka on sovitettu kertomaan lähe-’ ' tettävä signaali kertoimella eik,l/4, jossa k on bitti-indeksi. 106327

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että lähetettävä signaali käsittää useasta bitistä muodostuvia purskeita, ja että järjestelmän lähetin käsittää kertojan (602), joka on sovitettu kertomaan lähetettävä signaali kertoimella, jolla signaalikonstellaatio vastaanottimessa pyörii 5 kuten GMSK-moduloidun signaalin konstellaatio.

10. Patenttivaatimuksen 7-9 mukainen järjestelmä, tunnettu siitä, että järjestelmä on solukkoradiojärjestelmä. 9 : • t • « 10 106327